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水平井套管損壞修復整形裝置的受力分析

2021-10-09

水平井套管損壞修復整形裝置的受力分析

□李耀雷

東北石油大學機械科學與工程學院 黑龍江大慶 163318

摘 要:對水平井套管損壞修復整形裝置進行了介紹。應用ANSYS軟件對裝置的運動機構進行靜力校核,分析了活塞桿在最大負荷條件下的應力應變情況,確保裝置的靜態剛度及機械強度。應用ADAMS軟件建立了裝置運動機構的多剛體模型,對系統速度、加速度及位移曲線進行分析,并對關鍵部件驅動力矩進行運動仿真。通過分析確認裝置達到了理論安全要求,為現場試驗提供了依據。

關鍵詞:水平井 套管 修復

國內外熱采、中曲率和短半徑水平井[1-2]廣泛應用,大大提高了采收率,降低了生產成本。隨著技術發展,對水平井套管損壞的預防提出了新要求。水平井套管損壞后的修復成為水平井技術發展的關鍵因素之一[3],套管修復整形技術利用地面壓力提供液壓動力實現套管整形,可有效解決在水平井生產的中后期套管橫向收縮和恢復的技術問題。

1 修復整形裝置組成概述和工作原理

筆者根據生產需要設計了一套水平井套管損壞修復整形裝置,裝置關鍵零件及組成如圖1所示。

首先將裝置下降至預定位置,進行地面加壓,使錨定裝置先行工作。然后利用液壓缸組將水泥車液壓力轉化成軸向機械推動力作用在液壓脹管器的下接頭處,轉化推力至脹頭錐體,通過錐體將推力轉化為徑向擴張力,此時變形套管膨脹逐漸使變形套管復原[4]。套管復原后,液壓缸組軸向推力轉變為軸向拉力,將脹頭拉出,此后錨定裝置開始收回。最后整個裝置可以上提取出,或下放繼續整形后續變形套管。

圖1 水平井套管損壞修復整形裝置示意圖

2 修復整形裝置結構參數和有限元模型

水平井套管損壞修復整形裝置總長為26 m,額定工作壓力為25 MPa。6個液壓缸串聯形成液壓缸組,額定推力為620 kN。液壓缸外徑為72 mm,液壓缸壁厚為4.5 mm。其中拉桿和活塞采用沉淀硬化不銹鋼(0Cr17Ni4Cu4Nb),液壓缸體采用灰鑄鐵(HT200)。

利用SolidWorks軟件建立裝置三維模型 (圖2),并對模型進行幾何簡化,忽略非關鍵位置、不影響分析結果、尺寸較小的特征。模型創建完畢后導入ANSYS軟件,基本力學性能參數為彈性模量E=210 GPa,泊松比μ =0.3,HT200的抗拉強度σb≥200 MPa,0Cr17Ni4Cu4Nb屈服強度σs≥1 180 MPa,抗拉強度σb≥1 310 MPa[5-7]。

整形裝置為平面對稱的三維模型,主要采用ANSYS提供的10節點四面體Solid187高階單元及20節點六面體Solid186高階單元,單元數為58 220,節點數為150 943。如圖3所示為有限元模型。

3 修復整形裝置ANSYS靜力學分析

將各零部件之間的接觸定義為剛體接觸。定義邊界條件,按結構參數中所用數值施加載荷,對整形裝置前端脹頭處施加固定約束,模擬整形過程中套管施加在脹頭上的約束,活塞桿大端面施加25 MPa的推力。

經計算,整形裝置的整體應力分布較為均勻,受力最大處位于活塞桿和缸體接觸處,最大應力為88 MPa,圖4為裝置應力云圖。施加最大載荷時存在擠壓效應,易在接觸部位引起應力集中。

整形裝置的整體應變云圖如圖5所示,由圖5可知,最大應變發生在活塞桿和缸體接觸處,其值為4.05×10-2mm,變形較小,剛度滿足使用要求。

對于活塞桿,其最大應力為19.6 MPa,應力云圖如圖6所示,安全因子為n=1180/19.6=60.2,滿足要求。

對于活塞缸,其最大應力為88 MPa,應力云圖如圖7所示,安全因子為n=200/88=2.27,滿足要求。

對于拉桿,其最大應力為84.9 MPa,應力云圖如圖8所示,安全因子為n=1180/84.9=13.9,滿足要求。

圖2 水平井套管損壞修復整形裝置三維模型


圖3 水平井套管損壞修復整形裝置有限元模型


圖4 水平井套管損壞修復整形裝置應力云圖


圖5 水平井套管損壞修復整形裝置整體應變云圖


圖6 活塞桿應力云圖


圖7 活塞缸應力云圖


圖8 拉桿應力云圖

4 修復整形裝置ADAMS動力學分析

動力學分析不同于靜力學分析,需要考慮變載荷對結構的影響,以及阻尼、慣性力等因素,對機構的優化設計起著重要的作用。但是,對于非線性問題的求解,動力學方程的推導十分復雜,并包含大量的矩陣運算[8-9]。筆者利用動力學分析軟件ADAMS提供的強大仿真環境,對整形裝置進行仿真分析,預測載荷的變化,計算速度及加速度變化曲線。

整形裝置的結構比較復雜,內部有大量密封組件,建模過程中如果考慮過于細致,會造成ADAMS中添加大量約束,特別是ADAMS對整機模型進行仿真分析所需的時間大大延長,仿真效率會降低。所以忽略結構內部密封組件、油口等零件的影響[10]。

模型創建完成后利用ADAMS讀入CAD文件,將其轉化為一系列ADAMS/View模型,將模型導入ADAMS,選擇剛體動力學分析模塊。

為簡化計算過程,將材料屬性和動力學特性一致的零件合并為整體。將接管、導向套等零件通過布爾運算綁定在一起,綁定后和套管固定連接。將活塞、活塞桿、拉桿和脹頭等零件通過布爾運算綁定在一起,并將兩綁定體之間的運動定義為Cylindrical Joint。為模擬整形過程中套管施加在整形裝置上的約束,在整形裝置處施加如前文所述的額定推力,同時設置運動參數,活塞桿在缸體中運動,并推動脹頭運動,從而擴張套管實現整形,整形裝置的運動行程為0.55 m。

經計算,整形裝置脹頭質心處速度曲線如圖9所示,由圖9可知裝置推動過程中,速度變化較為平穩,這是因為在裝置推動過程中,推動的速度和負載無關,僅和活塞缸本身的尺寸及液壓油流入的流量有關,而整形過程中由于沖擊形成的速度波動會被液壓系統部分吸收。

圖9 水平井套管損壞修復整形裝置脹頭速度曲線

整形裝置質心處加速度曲線如圖10所示,由圖10可知裝置推動過程中,加速度變化較劇烈,脹頭和套管為非線性接觸,在整形過程中存在較大的接觸碰撞,即負載較大,反映到脹頭質心處加速度變化較劇烈。

整形裝置在推動過程中整體推力較為均衡,變化量小于104N,推力先減小,而后逐漸增大。這是因為在初始階段,因慣性作用及克服系統內部的摩擦阻力,需要較大的初始力。隨著推動的進行,慣性作用逐漸減弱,推力逐漸降低;當活塞桿運動到一定行程處,脹頭開始接觸需要整形的套管,阻力逐漸加大,活塞桿內的壓力逐漸升高,為克服這種整形阻力,進而實現整形目的,系統需要的推力逐漸加大。實際上,當推力加大到一定程度并實現整形后,推力會逐漸趨向平穩,最后降到較小水平。

圖10 水平井套管損壞修復整形裝置脹頭加速度曲線

5 結束語

筆者采用有限元法計算活塞桿、拉桿及液壓缸的強度和剛度,對水平井套管損壞修復整形裝置的關鍵零部件進行了驗算,得出所設計的裝置滿足設計要求。運用ADAMS進行動力學分析,所得計算結果反映了該裝置在額定推力作用下具有良好的剛度、強度和穩定的結構。

參考文獻

[1]祁曉峰.開窗側鉆水平井技術在大慶油田套損井上的應用[D].北京:中國地質大學,2009.

[2]劉萬勇.熱采水平井套損機理研究及對策[J].中外能源,2014(1):58-61.

[3]李增亮,蔡俐娜,王木樂,等.考慮殘余應力的套管整形修復尺寸界限研究[J].石油機械,2014(2):58-62.

[4]余貞友,鐘國財,黃濤,等.水平井套損修復技術探索及應用[J].中國石油和化工標準與質量,2014(11):159.

[5]左健民.液壓與氣壓傳動第4版[M].北京:機械工業出版社,2007.

[6]佘月明,龔得銀.三維套管變形井有限元幾何建模研究[J].西南石油大學學報(自然科學版),2010(6):172-175.

[7]陳立德.機械設計基礎[M].北京:高等教育出版社,2003.

[8]鄭華林,余雄風,何玉輝,等.新型井下可控套管整形裝置的研究[J].石油機械,2015(9):28-31.

[9]羅敏,趙婷婷,谷洪文,等.縮徑變形套管徑向修復力的研究[J].機械設計與制造工程,2016(5):77-80.

[10]楊斌.套損井修復配套技術研究[D].北京:中國石油大學,2007.

Abstract:Introduced the restoring and reshaping device for damaged horizontal well casing.ANSYS software was used to calibrate the static force of the motion mechanism of the device,and the stress and strain of the piston rod under the maximum load were analyzed to ensure the static rigidity and mechanical strength of the device.ADAMS software was used to establish the multi-rigid body model of the device motion mechanism.The velocity,acceleration and displacement curve of the system were analyzed,and the driving moments of critical components were simulated.Through the analysis it was confirmed that the device could achieve the theoretical safety requirements and it might provide the reference for field test.

Key Words:Horizontal WellCasing Restoration

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