李奔馳, 唐凱, 陳華彬, 陳鋒, 陳建波, 馬峰

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司, 重慶 400021;2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081)

0 引 言

塔里木庫車山前克深9區(qū)塊勘探開發(fā)的油氣井深度約8 000 m。克深902井最深達到8 038 m,地層壓力接近140 MPa,射孔施工時井底壓力接近190 MPa,井底溫度約190 ℃,完井套管5或5in*,屬于超高溫超高壓井[1-2]?，F(xiàn)有的射孔器耐溫耐壓指標(biāo)已不能滿足克深9區(qū)塊射孔要求。考慮到安全系數(shù),克深9區(qū)塊的超深井對射孔槍工作壓力指標(biāo)要求達到210 MPa。在前期耐壓175 MPa射孔槍研究[3]的基礎(chǔ)上研發(fā)外徑為89 mm的210 MPa射孔槍,研發(fā)中使用Ansys軟件[4]深入分析形位公差、槍長、工作溫度、下掛載荷等因素對射孔槍承壓性能的影響,提出增強射孔槍耐壓性能的新方法與工藝措施,開展系列功能性實驗驗證89型超高壓射孔槍性能,研發(fā)出高性能的89型超高壓射孔器材,結(jié)合激動壓力預(yù)測技術(shù)、動態(tài)負壓預(yù)測技術(shù)、管柱動態(tài)載荷響應(yīng)技術(shù)和現(xiàn)場工藝技術(shù)[5-7],在克深9區(qū)塊成功應(yīng)用,滿足8 000 m超深、超高溫、超高壓工況條件下油氣井射孔施工要求。

1 設(shè)計結(jié)構(gòu)影響因素分析

1.1 射孔槍設(shè)計理論依據(jù)

射孔槍在井下復(fù)雜環(huán)境中需要承受來自井筒液體和起爆時沖擊波的作用。射孔槍必須具備承受來自井筒的很高的外部壓力,射孔瞬間還要承受射孔彈爆炸形成的沖擊波。

由拉美公式和第三強度理論公式

(1)

表1 210 MPa射孔槍理論計算參數(shù)表

考慮2種不同屈服強度的材料,將表1的參數(shù)代入式(1)計算可得,對于這2種材料,89型射孔槍都能在210 MPa的高壓環(huán)境下安全使用,滿足210 MPa超高壓施工條件。但是,材料B在所受最大外壓相同的情況下,可將材料A的槍管壁厚減少10%。

驗證89型射孔槍承受210 MPa高壓性能,將射孔槍委托第三方檢測機構(gòu)進行超高壓實驗。在高壓釜最高壓力260 MPa下槍體還保持完整,支撐著理論設(shè)計。射孔槍耐壓性能與強度、壁厚成正比關(guān)系,但壁厚太厚會削減射孔彈穿深,可以利用屈服強度更高的材料達到提高射孔槍強度的目的。

1.2 形位公差對射孔槍耐壓的影響

射孔槍機械加工會對射孔槍產(chǎn)生形位公差;槍管原材料自身也存在一定的形位公差且體現(xiàn)在射孔槍上,造成射孔槍耐壓性能下降。其中,同軸度公差會造成槍管壁厚不均勻,在外壓的作用下,壁厚較薄處的盲孔就成為薄弱點而容易被壓潰,造成槍管整體耐壓性能下降。圓柱度公差會使槍管垂直于軸線的截面偏離理想圓,在外壓的作用下,直徑較小兩端的盲孔會成為槍管薄弱點而容易被壓潰,也會造成槍管整體耐壓性能下降。本文就定位公差同軸度和形狀公差圓柱度對射孔槍耐壓影響使用Ansys進行了有限元分析。選取不同同軸度和圓柱度對射孔槍進行建模,射孔槍長2.3 m,射孔槍兩端施加固定約束,槍體表面施加210 MPa均勻外壓。

圖1、圖2為使用Ansys有限元分析后應(yīng)力分布結(jié)果,在存在同軸度或圓柱度公差情形下,槍管表面的應(yīng)力分布變得不均勻。同軸度公差存在,應(yīng)力最大會集中在槍管壁厚較薄處的盲孔;圓柱度公差存在,應(yīng)力最大集中在直徑較小兩端的盲孔處。

圖1 同軸度對槍管Von Mises應(yīng)力分布影響

圖2 圓柱度對槍管Von Mises應(yīng)力分布影響

圖3、圖4分別是使用Ansys有限元方法分析后同軸度和圓柱度對槍管Von Mises應(yīng)力的影響。同軸度和圓柱度對槍管最小Von Mises應(yīng)力和平均Von Mises應(yīng)力影響不大,但是對最大Von Mises應(yīng)力影響很明顯。特別當(dāng)同軸度和圓柱度分別大于1 mm時,槍管最大Von Mises應(yīng)力迅速增加,導(dǎo)致槍管耐壓性能下降。

圖3 同軸度對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

圖4 圓柱度對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

槍管生產(chǎn)要嚴控機械加工質(zhì)量,加強工藝管理,嚴格把槍管同軸度和圓柱度控制在1 mm內(nèi),保證管材抗壓性能不低于理論值。

1.3 槍長對射孔槍耐壓的影響

射孔槍長度影響現(xiàn)場施工質(zhì)量,太短會造成射孔盲段增加。例如2根1.3 m的射孔槍就比1根2.3 m的射孔槍中間會多出400 mm的盲段,并且會增加接頭數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn),射孔槍太長會造成射孔槍耐壓性能下降。使用Ansys有限元分析了不同長度射孔槍的耐壓性能(見圖5)。

對1.3～4.3 m的不同長度的射孔槍建模,選用常用的16孔/m的孔密及60°相位。射孔槍兩端施加固定約束,槍體表面施加210 MPa均勻外壓。從圖5有限元仿真結(jié)果可以看出,射孔槍耐壓性能隨長度增加而下降。對于210 MPa超高壓射孔槍,考慮到安全系數(shù),其長度應(yīng)控制在3.8 m以內(nèi)。

圖5 射孔槍長度對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

根據(jù)槍長對射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在實際應(yīng)用中為進一步提高射孔槍的使用安全性,在彈架上每隔1 m的位置增加1個支撐環(huán)結(jié)構(gòu),達到長槍變短槍的目的,且不會產(chǎn)生射孔盲段。

1.4 盲孔深度對射孔槍耐壓的影響

盲孔的深度影響著射孔質(zhì)量,太淺會影響毛刺高度,太深會影響射孔槍耐壓性能。使用Ansys對長3.8 m、16孔/m及60°相位的射孔槍盲孔深度進行有限元仿真,研究盲孔深度對射孔槍耐壓性能的影響。建模時將射孔槍兩端施加固定約束,槍體表面施加210 MPa均勻外壓。

根據(jù)前期研究[1],將盲孔直徑定為32 mm,對3～5 mm的不同盲孔深度的射孔槍進行有限元分析。從圖6 Ansys仿真結(jié)果可以看出,隨盲孔深度增加,射孔槍耐壓性能下降。根據(jù)盲孔深度對射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在射孔槍實際生產(chǎn)過程中,建議將盲孔深度控制在4±0.5 mm。

圖6 射孔槍盲孔深度對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

1.5 拉力載荷對射孔槍耐壓的影響

射孔槍在井下的自身重量會影響射孔槍的耐壓性能。分別對槍長3.3、3.8 m的2種射孔槍槍同時加載外壓和軸向拉力載荷,使用Ansys進行有限元仿真分析。建模時對射孔槍一端施固定約束,另一端施加沿軸向拉力。射孔槍外表面施加210 MPa均勻壓力,軸向拉力載荷為2～10 t。

仿真結(jié)果表明,軸向拉力載荷對槍管承壓有一定影響。軸向拉力載荷每增加2 t,槍管最大Von Mises應(yīng)力增加大約4 MPa;對于3.3 m槍和3.8 m槍其最大von Mises應(yīng)力是隨著拉力增加程線性增長,并且軸向拉力載荷對槍管的耐壓影響小于外壓對槍管的耐壓影響,3.3 m射孔槍耐壓性能優(yōu)于3.8 m射孔槍(見圖7)。

圖7 拉力載荷對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

根據(jù)拉力載荷對射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在一定載荷作用下,射孔槍越長,其承壓能力將有所降低。

1.6 接頭對射孔槍耐壓的影響

從槍長對射孔槍耐壓性能影響上可以推斷出,接頭能在一定程度上提高射孔槍耐壓性能。從仿真建模的角度,接頭相當(dāng)于為槍管增加了固定約束。為此,使用Ansys進行有限元分析了接頭對射孔槍耐壓的影響?？紤]槍長3.8 m的射孔槍槍管外表面受210 MPa均勻壓力并加載10 t的拉力載荷,建模時一種情況是槍管一端螺紋面加固定約束,另一端無接頭、無約束,拉力載荷加載到無約束那一端;另一種情況是槍管一端螺紋面加固定約束,另一端有接頭,拉力載荷加載到接頭上,槍管與接頭定義Bond類型的面面接觸。

圖8、圖9為有限元仿真結(jié)果,有接頭的最大應(yīng)力位于盲孔處,沒有接頭的最大應(yīng)力由盲孔處轉(zhuǎn)移到槍管自由端端尾。此時,最大應(yīng)力超過有接頭時的最大應(yīng)力。據(jù)此,接頭能降低槍管兩端應(yīng)力,能提高槍管的承壓性能。

圖8 無接頭對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

圖9 有接頭對槍管Von Mises應(yīng)力的影響

根據(jù)接頭對射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在實際生產(chǎn)過程中要求加工出來的接頭螺紋和密封面與槍管螺紋和密封面配合間隙要小。如果間隙太大,接頭就不能起到承壓的作用,可能會導(dǎo)致槍管從兩端斷裂。

1.7 溫度對射孔槍耐壓的影響

溫度對射孔槍的影響主要體現(xiàn)在對槍管材料屈服強度和抗拉強度的影響。通過對某批次射孔槍槍管原材料在高溫下的拉伸實驗分析,得到不同溫度下的屈服強度和抗拉強度。

圖10 溫度對槍管材料性能的影響

實驗得到的數(shù)據(jù),屈服強度在100 ℃下降5.5%,150 ℃下降9.3%,200 ℃下降12.3%,250 ℃下降15.2%。上述數(shù)據(jù)說明,槍管在高溫下的耐壓性能也會按照該溫度下屈服強度所下降的相應(yīng)比例下降(見圖10)。

2 210 MPa射孔槍性能試驗

根據(jù)Ansys仿真結(jié)果,結(jié)合提出提高耐壓性能的新方法,研制出工作壓力210 MPa的89型超高壓射孔槍。為驗證耐壓性能,對超高壓89型射孔槍進行超高壓試驗。將射孔槍裝入高壓釜,在常溫下加壓至210 MPa后保壓30 min;泄壓;重新加壓至260 MPa后保壓5 min。泄壓后取出槍管,測量槍管直徑后可知槍管外形無變形。圖11的加壓過程壓力變化曲線可以看出高壓釜在加壓過程中壓力沒有減小,說明槍管在加壓過程中沒發(fā)生形變,驗證耐超高壓89型射孔槍常溫下至少能承受260 MPa壓力。根據(jù)圖11溫度對屈服強度影響曲線計算出在200 ℃時超高壓89型射孔槍至少能承受228.02 MPa,達到設(shè)計目標(biāo)。

圖11 射孔槍260 MPa壓力試驗過程

3 現(xiàn)場應(yīng)用

研制成功的210 MPa 89型超高壓射孔槍在塔里木油田克深9區(qū)塊投入現(xiàn)場試驗與應(yīng)用,在塔里木油田KS16井成功完成了井溫182 ℃、井底施工壓力173 MPa先導(dǎo)性現(xiàn)場應(yīng)用試驗;隨后在塔里木油田KS901、KS904井進行了推廣應(yīng)用,工藝成功率100%(見表3)。

表3 現(xiàn)場應(yīng)用井況

4 結(jié) 論

(1) 通過理論、仿真、試驗結(jié)合方法總結(jié)形成材料、形位公差、槍長、工作溫度等因素影響210 MPa射孔槍耐壓性能,有利于指導(dǎo)后續(xù)射孔槍研發(fā)。

(2) 結(jié)合影響射孔槍工作性能的因素和結(jié)果,提出增強射孔槍耐壓性能的方法與工藝措施。

(3) 開展射孔槍功能性試驗檢測和現(xiàn)場應(yīng)用,驗證了210 MPa下89型射孔槍性能,研發(fā)的210 MPa 89型射孔槍能夠滿足克深9區(qū)塊等超高溫超高壓射孔完井需求。

參考文獻:

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