李奔馳, 唐凱, 陳華彬, 陳鋒, 陳建波, 馬峰

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 重慶 400021;2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

0 引 言

塔里木庫(kù)車山前克深9區(qū)塊勘探開發(fā)的油氣井深度約8 000 m?？松?02井最深達(dá)到8 038 m,地層壓力接近140 MPa,射孔施工時(shí)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?？紤]到安全系數(shù),克深9區(qū)塊的超深井對(duì)射孔槍工作壓力指標(biāo)要求達(dá)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(zhǎng)、工作溫度、下掛載荷等因素對(duì)射孔槍承壓性能的影響,提出增強(qiáng)射孔槍耐壓性能的新方法與工藝措施,開展系列功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)壓力預(yù)測(cè)技術(shù)、動(dòng)態(tài)負(fù)壓預(yù)測(cè)技術(shù)、管柱動(dòng)態(tài)載荷響應(yīng)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)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(jì)結(jié)構(gòu)影響因素分析

1.1 射孔槍設(shè)計(jì)理論依據(jù)

射孔槍在井下復(fù)雜環(huán)境中需要承受來(lái)自井筒液體和起爆時(shí)沖擊波的作用。射孔槍必須具備承受來(lái)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(qiáng)度理論公式

(1)

表1 210 MPa射孔槍理論計(jì)算參數(shù)表

考慮2種不同屈服強(qiáng)度的材料,將表1的參數(shù)代入式(1)計(jì)算可得,對(duì)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(yàn)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(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行超高壓實(shí)驗(yàn)。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(jì)。射孔槍耐壓性能與強(qiáng)度、壁厚成正比關(guān)系,但壁厚太厚會(huì)削減射孔彈穿深,可以利用屈服強(qiáng)度更高的材料達(dá)到提高射孔槍強(qiáng)度的目的。

1.2 形位公差對(duì)射孔槍耐壓的影響

射孔槍機(jī)械加工會(huì)對(duì)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(huì)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(diǎn)而容易被壓潰,造成槍管整體耐壓性能下降。圓柱度公差會(huì)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(huì)成為槍管薄弱點(diǎn)而容易被壓潰,也會(huì)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(duì)射孔槍耐壓影響使用Ansys進(jìn)行了有限元分析。選取不同同軸度和圓柱度對(duì)射孔槍進(jìn)行建模,射孔槍長(zhǎng)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(huì)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(duì)槍管Von Mises應(yīng)力分布影響

圖2 圓柱度對(duì)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(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響。同軸度和圓柱度對(duì)槍管最小Von Mises應(yīng)力和平均Von Mises應(yīng)力影響不大,但是對(duì)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(shí),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(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

圖4 圓柱度對(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

槍管生產(chǎn)要嚴(yán)控機(jī)械加工質(zhì)量,加強(qiáng)工藝管理,嚴(yán)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(zhǎng)對(duì)射孔槍耐壓的影響

射孔槍長(zhǎng)度影響現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量,太短會(huì)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(huì)多出400 mm的盲段,并且會(huì)增加接頭數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn),射孔槍太長(zhǎng)會(huì)造成射孔槍耐壓性能下降。使用Ansys有限元分析了不同長(zhǎng)度射孔槍的耐壓性能(見(jiàn)圖5)。

對(duì)1.3～4.3 m的不同長(zhǎng)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(zhǎng)度增加而下降。對(duì)于210 MPa超高壓射孔槍,考慮到安全系數(shù),其長(zhǎng)度應(yīng)控制在3.8 m以內(nèi)。

圖5 射孔槍長(zhǎng)度對(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

根據(jù)槍長(zhǎng)對(duì)射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在實(shí)際應(yīng)用中為進(jìn)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(gè)支撐環(huán)結(jié)構(gòu),達(dá)到長(zhǎng)槍變短槍的目的,且不會(huì)產(chǎn)生射孔盲段。

1.4 盲孔深度對(duì)射孔槍耐壓的影響

盲孔的深度影響著射孔質(zhì)量,太淺會(huì)影響毛刺高度,太深會(huì)影響射孔槍耐壓性能。使用Ansys對(duì)長(zhǎng)3.8 m、16孔/m及60°相位的射孔槍盲孔深度進(jìn)行有限元仿真,研究盲孔深度對(duì)射孔槍耐壓性能的影響。建模時(shí)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(duì)3～5 mm的不同盲孔深度的射孔槍進(jìn)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(duì)射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在射孔槍實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

1.5 拉力載荷對(duì)射孔槍耐壓的影響

射孔槍在井下的自身重量會(huì)影響射孔槍的耐壓性能。分別對(duì)槍長(zhǎng)3.3、3.8 m的2種射孔槍槍同時(shí)加載外壓和軸向拉力載荷,使用Ansys進(jìn)行有限元仿真分析。建模時(shí)對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng),并且軸向拉力載荷對(duì)槍管的耐壓影響小于外壓對(duì)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(jiàn)圖7)。

圖7 拉力載荷對(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

根據(jù)拉力載荷對(duì)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(zhǎng),其承壓能力將有所降低。

1.6 接頭對(duì)射孔槍耐壓的影響

從槍長(zhǎng)對(duì)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(jìn)行有限元分析了接頭對(duì)射孔槍耐壓的影響?？紤]槍長(zhǎng)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(shí)一種情況是槍管一端螺紋面加固定約束,另一端無(wú)接頭、無(wú)約束,拉力載荷加載到無(wú)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(méi)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(shí),最大應(yīng)力超過(guò)有接頭時(shí)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(wú)接頭對(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

圖9 有接頭對(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

根據(jù)接頭對(duì)射孔槍耐壓影響的分析結(jié)果,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中要求加工出來(lái)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(huì)導(dǎo)致槍管從兩端斷裂。

1.7 溫度對(duì)射孔槍耐壓的影響

溫度對(duì)射孔槍的影響主要體現(xiàn)在對(duì)槍管材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。通過(guò)對(duì)某批次射孔槍槍管原材料在高溫下的拉伸實(shí)驗(yàn)分析,得到不同溫度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

圖10 溫度對(duì)槍管材料性能的影響

實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),屈服強(qiáng)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(shuō)明,槍管在高溫下的耐壓性能也會(huì)按照該溫度下屈服強(qiáng)度所下降的相應(yīng)比例下降(見(jiàn)圖10)。

2 210 MPa射孔槍性能試驗(yàn)

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(yàn)證耐壓性能,對(duì)超高壓89型射孔槍進(jìn)行超高壓試驗(yàn)。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(cè)量槍管直徑后可知槍管外形無(wú)變形。圖11的加壓過(guò)程壓力變化曲線可以看出高壓釜在加壓過(guò)程中壓力沒(méi)有減小,說(shuō)明槍管在加壓過(guò)程中沒(méi)發(fā)生形變,驗(yàn)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(duì)屈服強(qiáng)度影響曲線計(jì)算出在200 ℃時(shí)超高壓89型射孔槍至少能承受228.02 MPa,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖11 射孔槍260 MPa壓力試驗(yàn)過(guò)程

3 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)試驗(yàn)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(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn);隨后在塔里木油田KS901、KS904井進(jìn)行了推廣應(yīng)用,工藝成功率100%(見(jiàn)表3)。

表3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用井況

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)理論、仿真、試驗(yàn)結(jié)合方法總結(jié)形成材料、形位公差、槍長(zhǎng)、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(qiáng)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(yàn)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,驗(yàn)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。

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