鞠少棟，付　利，孔學(xué)云，洪秀玫，王俊姬

設(shè)計(jì)計(jì)算

井下封隔器設(shè)計(jì)分析軟件開發(fā)

鞠少棟，付利，孔學(xué)云，洪秀玫，王俊姬

（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，天津300452）①

井下封隔器作為海上油氣田開發(fā)的關(guān)鍵工具，其零件較多且設(shè)計(jì)校核過程繁瑣。針對目前國產(chǎn)封隔器研制與應(yīng)用的迫切要求，采用理論研究與ANSYS二次開發(fā)相結(jié)合的方法，以VB為研發(fā)平臺，開發(fā)了一套封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析校核軟件系統(tǒng)。通過模塊化集成方法重點(diǎn)解決封隔器膠筒、卡瓦及封隔器管柱的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析問題，提高封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，從而顯著縮短井下封隔器的研制和改進(jìn)周期。

封隔器；設(shè)計(jì)；軟件

封隔器是海上油氣田完井和開采必不可少的井下工具，主要起到密封油、套環(huán)形空間及隔離上下油（氣、水）層的作用，從而實(shí)現(xiàn)油、水井的分層采油、分層注水、分層改造和封堵水層［1-4］。封隔器零部件較多且設(shè)計(jì)校核過程繁瑣，易出錯，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法效率低下，而國內(nèi)目前還沒有封隔器系統(tǒng)專用設(shè)計(jì)分析軟件。

在進(jìn)行封隔器關(guān)鍵部件研究的基礎(chǔ)上，利用理論研究和ANSYS有限元軟件二次開發(fā)相結(jié)合的方法，開發(fā)封隔器設(shè)計(jì)分析軟件系統(tǒng)。該軟件以VB為研發(fā)平臺，重點(diǎn)解決封隔器核心件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、膠筒大變形接觸分析、卡瓦咬入套管彈塑性分析和封隔器管柱受力變形分析等關(guān)鍵問題，提高封隔器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化效率，為我國海上油氣田用封隔器研制提供技術(shù)支持。

1　軟件開發(fā)理論基礎(chǔ)

1.1膠筒設(shè)計(jì)

通過對密封元件進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，可計(jì)算合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：密封元件外表面與套管內(nèi)壁之間的最大許用間隙、密封元件的最小高度，從而確定膠筒的設(shè)計(jì)間隙和高度。

膠筒外表面與套管內(nèi)壁之間的設(shè)計(jì)間隙為［5］

式中：［ε］為膠筒許用軸向變形，%，可用試驗(yàn)方法求得，其大小取決于材質(zhì)和工作條件，［ε］應(yīng)小于0．3，一般取0．25；DC為套管內(nèi)徑，m；D0為膠筒內(nèi)徑（中心管外徑），m；n1為安全系數(shù)。

膠筒的設(shè)計(jì)高度為［6］

式中：Δp為工作壓差，Pa；［τ］為膠筒抗剪強(qiáng)度，Pa；p0為沿徑向作用于膠筒上分布力的強(qiáng)度，Pa；μ為膠筒泊松比；f為膠筒摩擦因數(shù)；DC為套管內(nèi)徑，m；D1為膠筒外徑，m，D1=DC-2u；D0為膠筒內(nèi)徑，m；n2為安全系數(shù)。

1.2卡瓦設(shè)計(jì)

根據(jù)卡瓦牙對套管的正向擠壓力大于等于套管的抗擠壓強(qiáng)度，得出卡瓦牙咬入深度與坐封力、卡瓦牙結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系式為［7］

式中：F為軸向推力，N；［σp］為套管擠毀強(qiáng)度，Pa；D為卡瓦外圓弧直徑，m；為卡瓦外圓弧面的圓心角，（°）；m為卡瓦片數(shù)；n為每片卡瓦的牙數(shù)；θ為錐體的錐角，（°）；φ為錐體與卡瓦之間的摩擦角，（°）；β1、β2分別為卡瓦牙型角對應(yīng)的齒前角和齒后角，（°）。

卡瓦長度計(jì)算公式為［8-9］

式中：Q為卡瓦懸掛載荷，N；A為套管橫截面面積，m2；σs為套管屈服強(qiáng)度，Pa；K為橫向載荷系數(shù)，K=1／tan（θ+φ）；R為管柱套管最大外半徑，m。

1.3管柱設(shè)計(jì)

活塞效應(yīng)引起的管柱長度變化為［10］

式中：L為管柱長度，m；E為管柱材料的彈性模量，Pa；As為管柱的橫截面面積，m2，As=π（D20-D2i）／4；Δpi、Δp0分別為管柱內(nèi)、外壓力的變化，Pa。

螺旋彎曲效應(yīng)引起的管柱縱向縮短為

式中：r為油管和套管之間的徑向間隙，m；I為管柱橫截面積對其直徑的慣性矩，m4；F2為壓縮力，N；W為單位長度的管柱重力，kg／m；g為重力加速度。

管柱由于鼓脹效應(yīng)引起的長度變化為

式中：μ為管柱材料泊松比；R為管柱外徑與內(nèi)徑的比值；Δρi為管柱中流體密度的變化，kg／m3；Δρ0為環(huán)形空間流體密度的變化，kg／m3；δ為流動引起的單位長度上的壓力降，Pa／m。

管柱平均溫度變化引起的長度變化為

式中：β為管柱材料的熱膨脹系數(shù)，℃-1；ΔT為管柱平均溫度變化，℃。

2　軟件系統(tǒng)模塊組成與功能

軟件系統(tǒng)包括卡瓦設(shè)計(jì)校核模塊、膠筒設(shè)計(jì)校核模塊和膠筒設(shè)計(jì)校核模塊，各個模塊采用VB語言實(shí)現(xiàn)，模塊之間相互獨(dú)立，確保每個模塊的有效封裝。軟件基礎(chǔ)界面如圖1。

卡瓦設(shè)計(jì)校核模塊可實(shí)現(xiàn)封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，分設(shè)計(jì)和ANSYS二次開發(fā)校核2個子模塊。設(shè)計(jì)子模塊可計(jì)算出卡瓦咬入深度、卡瓦長度、錐體行程和卡瓦可承受最大懸掛載荷等設(shè)計(jì)參數(shù)；校核子模塊可求出卡瓦咬入深度、等效應(yīng)力、接觸壓力等強(qiáng)度校核指標(biāo)。

膠筒設(shè)計(jì)校核模塊可實(shí)現(xiàn)封隔器膠筒結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)和密封性能分析，設(shè)計(jì)子模塊可計(jì)算出膠筒外徑、高度、軸向壓縮率、坐封力、彈性模量、材料系數(shù)和接觸壓力，ANSYS二次開發(fā)校核子模塊可求出膠筒位移、等效應(yīng)力和接觸壓力，從而實(shí)現(xiàn)膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。

封隔器管柱設(shè)計(jì)校核模塊可求出管柱作業(yè)過程中的分別在活塞效應(yīng)、螺旋彎曲效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)和溫度效應(yīng)下的作用力和管柱長度變化，并校核管柱最大應(yīng)力，基于此可進(jìn)行不同井下工況條件對應(yīng)的封隔器管柱設(shè)計(jì)校核。

圖1　軟件基礎(chǔ)界面

3　軟件應(yīng)用實(shí)例分析

3.1卡瓦設(shè)計(jì)校核

表1　封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

利用卡瓦設(shè)計(jì)子模塊求得卡瓦牙咬入深度為0.05 mm，卡瓦長度為60 mm，卡瓦可承受最大懸掛力為183 kN，錐體行程為13.24 mm。膠筒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)界面如圖2所示。

卡瓦校核子模塊分析工作階段膠筒接觸壓力和等效應(yīng)力分布如圖3所示，可以看出：卡瓦牙咬入處的套管內(nèi)壁發(fā)生屈服破壞，卡瓦牙處接觸壓力和等效應(yīng)力值最大，同時近錐體側(cè)的卡瓦接觸壓力和等效應(yīng)力明顯大于卡瓦中間部分。

圖2　卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面

圖3　卡瓦接觸壓力和等效應(yīng)力分布云圖

3.2膠筒設(shè)計(jì)校核

表2　封隔器膠筒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

利用膠筒設(shè)計(jì)子模塊求得套管內(nèi)壁與膠筒外表面最大間隙為6.3 mm，膠筒最小高度為91.7 mm?？紤]一定的安全余量，取間隙3.8 mm、膠筒高度130 mm，確定膠筒外徑為111 mm，封隔器最大外徑為112 mm，從而求得膠筒自由變形階段的坐封行程為32.4 mm，67 MPa壓差下接觸變形階段的行程可達(dá)20 mm（泊松比0.5時，此行程為0 mm），即膠筒的總行程為53 mm；保守計(jì)算膠筒坐封力為103 k N。膠筒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4　膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面

圖5　膠筒接觸壓力和等效應(yīng)力分布云圖

膠筒校核子模塊分析工作階段膠筒接觸壓力和等效應(yīng)力分布如圖5所示，可以看出：膠筒與套管之間最大接觸壓力為67.9MPa，大于壓裂壓差67 MPa，滿足密封要求；膠筒最大等效應(yīng)力32 MPa，已超過膠筒材料的屈服強(qiáng)度。因此，膠筒兩側(cè)需要增加防突結(jié)構(gòu)來減小膠筒最大等效應(yīng)力，以滿足膠筒強(qiáng)度要求。

4　結(jié)論

1）針對國內(nèi)目前缺乏封隔器專用設(shè)計(jì)分析軟件的現(xiàn)狀，開發(fā)了一套封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析軟件，主要包括膠筒設(shè)計(jì)分析模塊、卡瓦設(shè)計(jì)分析模塊和管柱設(shè)計(jì)分析模塊，可實(shí)現(xiàn)封隔器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核。

2）軟件重點(diǎn)解決了封隔器核心件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、膠筒大變形接觸分析、卡瓦咬入套管彈塑性分析和封隔器管柱受力變形分析等關(guān)鍵問題，可顯著提高封隔器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化效率。

3）實(shí)例分析表明，軟件設(shè)計(jì)的封隔器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸滿足強(qiáng)度及作業(yè)性能要求，軟件可為海上油氣田用封隔器的研制提供技術(shù)支持。

［1］劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒密封性能有限元分析［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（9）：38-41.

［2］楊立平，楊學(xué)貴，馬認(rèn)琦，等.油氣井防砂工具［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2014.

［3］楊立平.井下防砂工具自主研發(fā)探索與實(shí)踐［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，34（9）：155-158.

［4］劉傳剛，孔學(xué)云，馬認(rèn)琦，等.海上完井封隔器膠筒試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（7）：81-83.

［5］江漢石油管理局采油工藝研究所.封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1983.

［6］朱曉榮.封隔器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［7］馬認(rèn)琦，孔學(xué)云，鞠少棟，等.海上完井封隔器新型錨定卡瓦咬入套管分析［J］.石油機(jī)械，2014，42（9）：65-68.

［8］劉躍寶.動力卡瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其參數(shù)優(yōu)化［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2010.

［9］崔孝秉，張宏，韓新利.卡瓦內(nèi)懸掛管柱彈性承載能力與計(jì)算［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，23（1）：62-65.

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Development of Design and Analysis Software for Down Hole Packers

JU Shaodong，F(xiàn)U Li，KONG Xueyun，HONG Xiumei，WANG Junji
（CNOOC Ener Tech Drilling&Production Company，Tianjin 300452，China）

The down hole packer is the key tool used in offshore oil and gas field，which has many components that may result in design errors caused by complex design and checking process. Based on the requirement of fast research and application for domestic packers，the packer structure design and analysis checking software was developed by integrating the methods of theoretical research and ANSYS redevelopment.The modular design software has solved design and strength analysis problems of the packer rubber，the slip and the packer string，which can improve packer structure design efficiency and accuracy and reduce research and modification period of down hole packers.

packer；design；software

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.009

1001-3482（2015）10-0038-04

①2015-04-08

國家科技重大專項(xiàng)子課題“完井防砂工具系列化及現(xiàn)場應(yīng)用”（2011ZX05057-002-004）；海油發(fā)展技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“鉆完井工具輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)”（HFKJ-GJ2014005）；海油發(fā)展英才計(jì)劃課題“井下封隔器設(shè)計(jì)分析模塊開發(fā)”。

鞠少棟（1984-），男，山東濰坊人，工程師，博士，主要從事海洋石油鉆完井工藝技術(shù)及配套工具研究，E-mail：jushd2＠cnooc.com.cn。