劉傳剛，鞠少棟，包陳義,馬認(rèn)琦，洪秀玫（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司鉆采工程研究所，天津 300452）

海上油氣田開發(fā)中，大斜度井、水平井等復(fù)雜井的作業(yè)對完井工藝和工具提出了更高的要求［1］。充填滑套是礫石充填完井防砂作業(yè)中必不可少的工具，滑套的有效開啟和關(guān)閉是保證防砂作業(yè)順利完成的關(guān)鍵?，F(xiàn)有充填滑套現(xiàn)場應(yīng)用過程中存在滑套誤打開和滑套無法關(guān)閉等問題，且滑套結(jié)構(gòu)不夠簡單，容易發(fā)生砂卡，增加了復(fù)雜井防砂作業(yè)的操作難度，稍有不慎就會造成防砂作業(yè)失敗［2～4］。針對充填滑套現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，自主設(shè)計新式充填滑套，通過改變滑套結(jié)構(gòu)保證現(xiàn)場防砂作業(yè)的安全。

為準(zhǔn)確掌握新式充填滑套及其滑動爪機構(gòu)的作業(yè)性能，保證滑套打開和關(guān)閉的準(zhǔn)確可靠，基于理論分析和有限元數(shù)值模擬方法，研究滑套滑動爪機構(gòu)的力學(xué)性能，確定滑動爪的最大軸向拉力和最大應(yīng)力，并通過功能試驗與理論、數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，以驗證理論研究的準(zhǔn)確性，相關(guān)方法和結(jié)論可為充填滑套結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 新式滑套基本結(jié)構(gòu)及工作原理

針對常規(guī)充填滑套作業(yè)過程中誤打開、密封易失效的問題，設(shè)計新式充填滑套結(jié)構(gòu)如圖1所示，新式滑套總成主要由鎖環(huán)、滑動爪、滑套和滑套密封筒等組成。當(dāng)滑套內(nèi)下入開關(guān)工具時，開關(guān)工具的施動臺肩與滑動爪的驅(qū)動臺肩接觸，開關(guān)工具下行帶動滑動爪向下移動，滑動爪移動到位后，下部滑動爪嵌入滑套凹槽中，此時滑動爪上的4個密封圈均位于充填孔的下面，保證充填孔的完全打開和之后的礫石充填作業(yè)。充填完畢后上提服務(wù)管柱，開關(guān)工具或關(guān)閉工具的施動臺階帶動滑動爪向上移動，上部滑動爪卡入鎖環(huán)的內(nèi)溝槽內(nèi)，保證滑套關(guān)閉后有一定的鎖緊力，同時滑套的充填孔處于兩組O形密封圈之間，實現(xiàn)滑套的有效關(guān)閉和密封［5］①Baker Hughes Inc.Sand control systems.Baker Hughes，2000.。

新式充填滑套主要優(yōu)點為：①滑動爪兩側(cè)采用雙密封結(jié)構(gòu)，密封面處進行滲氮處理，增加耐沖蝕能力，滑套關(guān)閉后其內(nèi)外可承受較高的壓力差。②滑套中的鎖環(huán)和滑動爪形成雙鎖緊機構(gòu)，滑動爪上設(shè)計有自鎖臺肩，滑動爪需要一定軸向力才能在滑套內(nèi)往復(fù)運動以打開或關(guān)閉滑套，解決了滑套易誤打開的難題。③新式充填滑套結(jié)構(gòu)簡單，均采用API標(biāo)準(zhǔn)扣型或美制標(biāo)準(zhǔn)螺紋，以方便與其他石油管材連接，便于現(xiàn)場操作。

圖1 新式充填滑套基本結(jié)構(gòu)

2 滑套滑動爪機構(gòu)受力分析

滑套滑動爪機構(gòu)可簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)進行受力分析，壓力載荷基本施加于滑動爪自由端，滑動爪截面形狀及結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示［6］。

滑動爪通過鎖環(huán)時最大彎曲變形y為：

式中：p為滑動爪受到的壓力，N；L為滑動爪長度，m；E為滑動爪材料彈性模量，Pa；Ix為滑動爪截面慣性矩，m4。

計算公式：

圖2 滑動爪截面形狀及結(jié)構(gòu)尺寸

式中：Ix1為不考慮重心位置影響的滑動爪截面慣性矩，m4；A為滑動爪截面面積，m2；ys為滑動爪截面重心S到圓環(huán)中心的距離，m。

滑動爪通過鎖環(huán)受到的軸向拉力F為：

式中：θ為滑動爪承載斜面的角度，（°）；f為摩擦因數(shù)，1?；瑒幼νㄟ^鎖環(huán)時由彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力σ為：

式中：M為滑動爪根部的彎矩，N·m；r為滑動爪截面內(nèi)半徑，m；α為滑動爪截面1／2弧心角，（°）。

設(shè)定滑動爪機構(gòu)共包括18個滑動爪，所用材料為40CrMnMo，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為780MPa，滑動爪長度26.6mm，其外半徑85.25mm，內(nèi)半徑82mm，徑向最大變形0.67mm，弧心角10.9°。根據(jù)上述公式計算求得單個滑動爪受到的最大下壓力為1090N，最大軸向拉力為918N，最大應(yīng)力為1100MPa，整個機構(gòu)的軸向拉力為16524N。

3 滑套滑動爪機構(gòu)性能仿真分析

利用Solidworks軟件建立滑套滑動爪通過鎖環(huán)時的三維結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示，整個滑動爪機構(gòu)和鎖環(huán)均為圓周對稱結(jié)構(gòu)。

將滑動爪三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS軟件，建立三維有限元分析模型。鎖環(huán)外部施加固定約束，滑動爪根部施加位移約束，滑動爪中心套外表面施加徑向約束，在滑動爪臺肩和鎖環(huán)內(nèi)表面之間建立面面接觸，目標(biāo)面采用TARGE170接觸單元，接觸面采用CONTA174接觸單元，接觸剛度矩陣設(shè)置為隨當(dāng)前所附單元的平均應(yīng)力迭代更新，滑動爪與鎖環(huán)之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.1。為保證計算精度，網(wǎng)格劃分采用六面體單元。

滑動爪徑向變形最大位置對應(yīng)的等效應(yīng)力分布如圖4所示?；瑒幼ψ畲蟮刃?yīng)力發(fā)生于爪根部，最大等效應(yīng)力為1141MPa，由于塑性區(qū)域較小，作業(yè)過程中滑動爪根部會發(fā)生局部塑性變形。

圖3 滑套滑動爪打開三維模型

圖4 滑動爪結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

滑動爪軸向運動過程中軸向拉力載荷變化曲線如圖5所示。圖中，滑動爪通過鎖環(huán)所需的最大軸向拉力為13636N。

4 滑套功能試驗

依據(jù)裝配圖紙，將清洗后的各部件進行組裝，開關(guān)工具正常插入，吊至擰扣機并夾住滑套密封筒，開關(guān)工具上部與液壓缸的活塞桿螺紋聯(lián)接，通過活塞桿的伸縮實現(xiàn)滑套的開關(guān)，如圖6所示。

液壓缸上的液壓表可顯示活塞桿回縮時的壓力，從而獲得每次打開滑套過程中的壓力變化，通過液壓缸推拉開關(guān)工具，實現(xiàn)滑套的打開和關(guān)閉，記錄5次試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

比較滑動爪機構(gòu)的理論研究與功能試驗結(jié)果見表2，對于滑套打開的軸向拉力，理論計算值較大，有限元計算和功能試驗值較小，由于頭部凸臺和根部倒角影響，滑動爪截面壁厚不完全一致，理論計算方法存在一定的誤差，有限元分析模擬結(jié)果相對比較精確和可靠，分析表明滑動爪最大應(yīng)力超過其屈服極限，功能試驗過程中結(jié)構(gòu)本身會發(fā)生一定的塑性屈服變形，導(dǎo)致試驗結(jié)果不斷變小并最終保持穩(wěn)定。

圖5 滑動爪軸向拉力隨計算時間的變化

圖6 滑套打開試驗

通過理論計算與試驗分析，修改滑動爪結(jié)構(gòu)尺寸以降低其最大等效應(yīng)力，并反復(fù)研究和調(diào)整滑套及滑動爪機構(gòu)的選材、熱處理、機加工等成型工藝，研制出結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定的新式滑套結(jié)構(gòu)，新式充填滑套現(xiàn)已多次服務(wù)于海上完井作業(yè)，現(xiàn)場應(yīng)用良好。

表1 滑套打開試驗數(shù)據(jù)

表2 滑套打開軸向拉力理論計算與試驗結(jié)果

5 結(jié)論與認(rèn)識

1）基于理論分析，滑動爪機構(gòu)最大軸向拉力為16524N，最大應(yīng)力為1100MPa；基于有限元計算，滑動爪機構(gòu)最大軸向拉力為13636N，最大應(yīng)力為1141MPa，滑動爪最大應(yīng)力超過屈服極限，作業(yè)過程中滑動爪根部會發(fā)生一定的塑性變形。

2）采用拉拔試驗機進行多次開關(guān)工具的功能試驗，開關(guān)工具滑動爪機構(gòu)通過鎖環(huán)的軸向拉力載荷初值為13655N，后逐漸減小到12836N并保持穩(wěn)定，試驗結(jié)果初值與理論計算結(jié)果基本相符，表明滑動爪最大應(yīng)力已超過屈服極限，功能試驗過程中結(jié)構(gòu)本身的屈服變形導(dǎo)致試驗最終值偏小，設(shè)計時應(yīng)特別注意。

3）比較滑套滑動爪機構(gòu)的理論研究與功能試驗結(jié)果，對于打開滑套的軸向拉力，理論計算值較大，有限元計算與功能試驗值較小，由于滑動爪頭部凸臺和根部倒角影響，理論計算方法存在一定的誤差，有限元分析模擬結(jié)果相對比較精確和可靠，設(shè)計時為降低結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力通過修改滑動爪結(jié)構(gòu)尺寸的方法以確定滑套最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

［1］楊立平 .井下防砂工具自主研發(fā)探索與實踐 ［J］.石油天然氣學(xué)報（江漢石油學(xué)院學(xué)報），2012，34（9）：155～158.

［2］張世甫 .滑套使用中若干問題的分析探討 ［J］.鉆采工藝，2012，25（1）：77～79.

［3］高國強，趙勇，蘇慶欣 .防砂卡封隔器的研制與應(yīng)用 ［J］.石油機械，2007，35（8）：39～40.

［4］羅懿，周勤 .水平井分段壓裂可開關(guān)滑套的研制與應(yīng)用 ［J］.特種油氣藏，2013，20（4）：131～133.

［5］《海上油氣田完井手冊》編委會 .海上油氣田完井手冊 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［6］《機械設(shè)計手冊》編委會 .機械設(shè)計手冊 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.