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        封隔器卡瓦錨定力學(xué)行為與高溫高壓實(shí)驗(yàn)分析

        2020-08-13 09:20:14韓傳軍彭雪峰李林濤
        天然氣工業(yè) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:牙型卡瓦錨定

        韓傳軍 彭雪峰 李林濤

        1.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國石化西北油田分公司

        0 引言

        封隔器是具有彈性密封元件,用于封隔井下管柱與井眼之間的環(huán)形空間來隔絕產(chǎn)層的井下工具[1-2],不僅能用于鉆井、固井和生產(chǎn),而且還可以為注水、措施改造和堵漏、封竄等提供條件[3]。由于封隔器要承受高溫和高壓,在幾千米的管柱伸長或縮短的影響下,不僅有可能使其提前坐封,而且還有可能使其自身發(fā)生上下竄動(dòng),影響封隔效果[4]。

        卡瓦作為防止封隔器竄動(dòng)的主要部件,靠卡瓦與套管接觸產(chǎn)生摩擦力或卡瓦牙嵌入套管來阻止封隔器移動(dòng)[5-6]。當(dāng)卡瓦嵌入套管時(shí),卡瓦牙有可能在套管接觸面形成咬痕,過大的嵌入深度有可能會(huì)導(dǎo)致套管損壞、失效[7]。為了確??ㄍ吣芷鸬搅己玫墓潭ǚ飧羝鞯淖饔茫瑫r(shí)減少對(duì)套管的損傷,有必要研究卡瓦牙與套管在接觸錨定過程中的相互作用[8]。為此,本文根據(jù)實(shí)際的工具裝配結(jié)構(gòu)建立了計(jì)算模型,進(jìn)行了理論分析和高溫高壓工況下的坐封試驗(yàn),并運(yùn)用有限元法進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了卡瓦、套管的應(yīng)力分布規(guī)律及卡瓦牙嵌入套管的深度,以期為進(jìn)一步分析封隔器的性能、防止套管損傷提供參考。

        1 封隔器工作原理

        如圖1所示,封隔器在工作過程中,壓力液由進(jìn)壓口進(jìn)入壓力腔,錐套在壓力作用下帶動(dòng)缸筒推動(dòng)下卡瓦上行并擠壓下錐體,同時(shí)錐套繼續(xù)上行壓縮膠筒,繼而推動(dòng)上錐體撐開上卡瓦,上下卡瓦在圓周方向上設(shè)置有應(yīng)力槽,方向和管柱平行,因此卡瓦瓣在徑向膨脹力下能夠開裂并嵌入套管內(nèi)壁,坐封的同時(shí)實(shí)現(xiàn)錨定[4]。

        圖1 封隔器工作原理圖

        2 塑性力學(xué)滑移線模型

        卡瓦牙和套管的接觸與嵌入,常使用塑性力學(xué)中的滑移線模型。該模型在塑性變形區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)都能找到一對(duì)正交的最大剪切應(yīng)力方向,當(dāng)楔形體加載于均質(zhì)、各向同性的塑性材料時(shí),最大剪應(yīng)力軌跡在材料中的空間分布稱為滑移線場(chǎng)[9]。

        如圖2所示,封隔器后面是牙型角(表2)為2γ,卡瓦牙底寬為2b,設(shè)其受到的膨脹徑向力為Fe,在該力的作用下,卡瓦牙嵌入套管內(nèi)表面,假設(shè)產(chǎn)生的切口角度仍為2γ。分別按照有、無摩擦兩種情況求出嵌入深度:一是不考慮摩擦,即封隔器卡瓦與套管“V”形缺口之間完全光滑;二是考慮封隔器卡瓦與套管“V”形缺口接觸處產(chǎn)生摩擦,其剪應(yīng)力大小為τs[10]。

        圖2 卡瓦牙嵌入套管示意圖

        2.1 完全光滑狀態(tài)

        在封隔器錨定坐封過程中,封隔器卡瓦在壓力的作用下嵌入套管,實(shí)現(xiàn)錨定作用[11]。設(shè)封隔器卡瓦嵌入套管深度為t,如圖3所示。

        圖3 卡瓦與套管接觸示意圖

        當(dāng)卡瓦牙與套管光滑接觸時(shí),封隔器卡瓦嵌入套管的深度計(jì)算式為:

        2.2 有摩擦狀態(tài)

        當(dāng)封隔器卡瓦與套管接觸時(shí)產(chǎn)生摩擦,封隔器卡瓦嵌入套管的深度計(jì)算式為:

        材料屈服剪(切)應(yīng)力一定,在相同壓力作用下,卡瓦牙型角越大,嵌入套管的深度越小,所承受的錨定力也越小,可能導(dǎo)致在壓裂過程中封隔器失封。在相同壓力作用下,卡瓦牙型角越小,則嵌入套管的深度越大,可能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象,所以應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)慕嵌取?/p>

        滑移線模型兩種狀態(tài)下的解析式有較大局限性,一是用于卡瓦單齒的計(jì)算,且齒的幾何尺寸為尖角,二是忽略了卡瓦整體結(jié)構(gòu)的影響,三是無法分析各個(gè)齒在坐封過程中的受力情況差異,因此在工程應(yīng)用上只能用于理論分析以及設(shè)計(jì)時(shí)起指導(dǎo)作用。由于楔形卡瓦牙齒數(shù)較多,又涉及塑性變形,每個(gè)齒所受到的力以及產(chǎn)生的變形不一致,所以很難用解析的方法求得每個(gè)卡瓦牙嵌入套管的深度,因此,可使用有限元方法對(duì)封隔器卡瓦和套管的相互作用進(jìn)行分析。

        3 有限元模型的建立與分析

        由于封隔器坐封時(shí)卡瓦牙會(huì)嵌入套管的內(nèi)壁留下咬痕[12-13],且卡瓦牙與套管的接觸會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,如果卡瓦牙嵌入深度太大,會(huì)對(duì)套管內(nèi)表面造成明顯的損傷,被卡瓦嚴(yán)重劃傷或咬傷的井段二次封隔時(shí)很有可能無法達(dá)到預(yù)期封隔壓差甚至完全無法封隔[14-15]。所以在封隔器設(shè)計(jì)中,應(yīng)在保證封隔器正常工作的前提下,使卡瓦對(duì)套管內(nèi)表面的損傷程度降至最低。

        3.1 幾何模型

        如圖4-a所示,建立卡瓦塊模型,2γ為牙型角,α為傾角,β為內(nèi)錐角。

        根據(jù)卡瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立如圖4-b所示的缸筒—錐體—卡瓦—套管有限元二維軸對(duì)稱模型??紤]卡瓦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力集中,對(duì)有限元模型細(xì)化接觸部分的局部網(wǎng)格[16],并對(duì)整個(gè)模型做網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。由于慣性和阻尼對(duì)整個(gè)分析的影響很小,因此運(yùn)用有限元靜力學(xué)模塊分析。為方便分析每一個(gè)卡瓦牙的應(yīng)力分布和嵌入套管的深度,將卡瓦牙按照?qǐng)D4-b所示進(jìn)行編號(hào)[17]。

        圖4 卡瓦與套管接觸分析模型圖

        根據(jù)封隔器井下工作工況,給模型添加邊界條件與載荷。錐體受封隔器本體的限制,只能沿軸向運(yùn)動(dòng),不能沿徑向運(yùn)動(dòng);套管受地層和水泥環(huán)的固封,外表面設(shè)置為固定約束;上部缸筒設(shè)置為固定約束,卡瓦齒尖曲率半徑為0.2 mm[18],因各部件的材料均為鋼材,接觸處的摩擦系數(shù)均設(shè)定為0.15。

        3.2 材料參數(shù)

        缸筒和錐體由高強(qiáng)度的合金鋼制造,而套管材料為P110油井管用鋼,卡瓦材料為35CrMo鋼,材料參數(shù)如表1所示。

        表1 模型的材料參數(shù)表

        3.3 計(jì)算結(jié)果

        3.3.1 von Mises應(yīng)力

        圖5為卡瓦牙和套管在105 MPa載荷下的von Mises應(yīng)力云圖。

        由圖5可以知,當(dāng)卡瓦與套管相互接觸時(shí),封隔器卡瓦齒尖端的應(yīng)力集中程度很高,卡瓦的每個(gè)齒尖端的應(yīng)力分布不均勻,其中在卡瓦的齒1位置應(yīng)力最大為924.04 MPa??ㄍ吲c套管應(yīng)力在軸向分布不均勻,應(yīng)力隨卡瓦齒編號(hào)的增大而減小,齒7、齒8應(yīng)力很小,加載端的1~6 號(hào)卡瓦牙在錨定過程中起主要作用。

        3.3.2 不同牙型角對(duì)嵌入深度的影響

        圖5 卡瓦牙和套管在105 MPa載荷下的von Mises應(yīng)力云圖

        分別選取卡瓦牙型角80°、85°、90°、95°和 100°,壓力載荷40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa、80 MPa、90 MPa 和105 MPa進(jìn)行分析??ㄍ啐X1嵌入套管深度如表2所示。

        表2 卡瓦嵌入套管的深度隨牙型角(2γ)、載荷變化表

        由表2可知,卡瓦嵌入套管的深度隨著載荷的增大而增大,隨卡瓦牙型角的增大而減小,但是當(dāng)牙型角為80°時(shí),其嵌入深度與該規(guī)律不相符,這是由于牙型角過小,卡瓦牙頂部等效應(yīng)力顯著增大,其強(qiáng)度已無法滿足繼續(xù)嵌入套管的要求,導(dǎo)致卡瓦牙塑性變形增大和套管變形減小,即卡瓦牙嵌入套管的深度變小。卡瓦嵌入套管的深度與作用在錐體上的載荷近似成正比關(guān)系。套管在卡瓦齒1位置處嵌入深度最大,在齒7、齒8處嵌入深度較小,且隨著封隔器卡瓦牙編號(hào)的增加,嵌入深度逐漸減小。

        3.3.3 不同內(nèi)錐角對(duì)嵌入深度的影響

        當(dāng)卡瓦的傾角為15°,牙型角為90°時(shí),不同內(nèi)錐角對(duì)卡瓦齒1嵌入套管深度的影響如表3所示。

        表3 卡瓦嵌入套管的深度隨內(nèi)錐角(β)、載荷變化表

        從表3可以看出,卡瓦嵌入套管的深度隨著載荷的增大而增大。隨著內(nèi)錐角的增大,卡瓦牙嵌入套管的最大深度逐漸減小;但是內(nèi)錐角越大,卡瓦的每個(gè)齒嵌入套管深度的不均勻性程度增大,導(dǎo)致齒7、齒8嵌入套管的深度變小,降低了錨定的作用效果。

        3.3.4 不同牙傾角對(duì)嵌入深度的影響

        表4為不同牙傾角對(duì)嵌入套管深度的影響。可以看出,卡瓦齒1嵌入套管的最大深度隨著牙傾角的增大而增大;隨著卡瓦牙齒數(shù)的增加,嵌入深度逐漸減小,且卡瓦齒7、齒8嵌入套管的深度較小。圖6為卡瓦傾角15°時(shí)卡瓦嵌入套管內(nèi)表面的徑向位移云圖,可以看出,卡瓦的每個(gè)齒尖端嵌入套管的深度分布不均勻,其中在卡瓦的齒1位置嵌入套管的深度最大。隨卡瓦齒編號(hào)的增大嵌入深度逐漸減小,加載端的1~6號(hào)卡瓦牙起主要錨定作用。總體而言,與牙型角和內(nèi)錐角相比,傾角對(duì)嵌入深度的影響較小。

        表4 卡瓦嵌入套管的深度隨傾角(α)、載荷變化表

        圖6 傾角為15°時(shí)卡瓦嵌入套管的徑向位移云圖

        3.4 參數(shù)優(yōu)選

        通過仿真分析可知,105 MPa載荷下,牙傾角α=15°時(shí),卡瓦最大等效應(yīng)力和嵌入深度較優(yōu);內(nèi)錐角β=17°、18°時(shí)卡瓦嵌入深度較小,β=14°時(shí)卡瓦最大等效應(yīng)力較大,β=15°、16°時(shí)整體較優(yōu);牙型角2γ=80°時(shí)卡瓦等效應(yīng)力顯著增大,卡瓦強(qiáng)度無法滿足繼續(xù)嵌入套管的要求,2γ=100°時(shí)嵌入深度較小,2γ為85°、90°、95°時(shí)較優(yōu)。采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行比較、統(tǒng)計(jì)分析,參數(shù)組合如表5所示。

        表5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下卡瓦最大von Mises應(yīng)力表

        由表5可知,5號(hào)、6號(hào)組合嵌入套管深度較小,1號(hào)、4號(hào)組合卡瓦最大von Mises應(yīng)力較大,2號(hào)、3號(hào)組合的最大von Mises應(yīng)力相差較小,2號(hào)組合嵌入深度略大于3號(hào)組合,且其更易于加工制造,故綜合分析可知 2 號(hào)組合(α=15°,β=15°,2γ=90°)為相對(duì)較優(yōu)的卡瓦結(jié)構(gòu)。

        4 室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果加工相應(yīng)的卡瓦,在試驗(yàn)井中進(jìn)行了高溫高壓工況下封隔器坐封錨定試驗(yàn)。

        4.1 連接試驗(yàn)管柱

        將封隔器打壓塞、變扣、封隔器、錨定密封按圖7所示連接組裝, 然后沿水平方向緩慢送入套管短節(jié)內(nèi),將封隔器膠筒及卡瓦部分全部推入套管。

        圖7 連接封隔器試驗(yàn)管柱圖

        4.2 加載過程

        封隔器跟隨套管入井后,在實(shí)驗(yàn)井筒內(nèi)進(jìn)行高溫油浴加熱,待加熱達(dá)到試驗(yàn)要求溫度時(shí),可通過中心管加壓端加壓使封隔器坐封,坐封完成后通過上、下打壓端口分別施加壓力進(jìn)行密封驗(yàn)證,并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        4.3 試驗(yàn)參數(shù)

        試驗(yàn)過程采用溫度、壓力逐級(jí)升高的方式,分為4個(gè)階段進(jìn)行試驗(yàn):

        第1階段:溫度160 ℃、壓力70 MPa,穩(wěn)壓30 min。

        第2階段:溫度204 ℃、壓力70 MPa,穩(wěn)壓30 min。

        第3階段:溫度160 ℃、壓力105 MPa,穩(wěn)壓30 min。

        第4階段:溫度204 ℃、壓力105 MPa,穩(wěn)壓48 h。

        4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

        在204 ℃、105 MPa的壓差下穩(wěn)壓48 h無壓降。工具驗(yàn)封過程中沒有發(fā)生刺漏,說明在軸向壓力載荷的作用下,上下卡瓦有效開裂后均勻咬合套管內(nèi)壁,封隔器成功坐封。如圖8-a所示,剖開套管后,發(fā)現(xiàn)卡瓦和套管咬合良好,軸向嵌入深度均勻,卡瓦嵌入套管最大深度在0.40~0.45 mm之間。隨著卡瓦牙齒數(shù)的增加,卡瓦牙嵌入套管的深度也逐漸減小,各齒的嵌入深度與圖8-b有限元仿真分析的結(jié)果較為吻合。

        圖8 卡瓦錨定后的狀態(tài)圖

        5 結(jié)論

        本文針對(duì)封隔器的錨定問題,利用塑性力學(xué)滑移線理論、有限元分析及試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)封隔器卡瓦與套管的接觸進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算與分析,得出以下結(jié)論:

        1)考慮套管的彈塑性變形,建立了卡瓦牙嵌入套管的塑性力學(xué)分析模型,推導(dǎo)了卡瓦牙嵌入套管深度的計(jì)算公式,發(fā)現(xiàn)其嵌入套管深度與徑向載荷和卡瓦牙型角有關(guān),并能在與套管內(nèi)壁接觸位置形成明顯咬痕。

        2)利用有限元法分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)卡瓦牙嵌入套管深度的影響,發(fā)現(xiàn)嵌入深度與作用在錐體上的載荷近似成正比關(guān)系??ㄍ啐X的嵌入深度隨著荷載的增大而增大,隨著卡瓦牙齒數(shù)的增加而減小。優(yōu)選結(jié)果表明,當(dāng)封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)為α=15°、β=15°、2γ=90°時(shí),卡瓦最大von Mises應(yīng)力較小且錨定效果較好。

        3)基于優(yōu)選結(jié)構(gòu)的坐封試驗(yàn)表明,套管上的卡瓦最大嵌入深度介于0.40~0.45 mm,稍大于有限元分析結(jié)果中的最大嵌入深度0.362 mm,這主要是由于有限元法考慮了卡瓦齒尖曲率半徑為0.2 mm,且為軸對(duì)稱模型導(dǎo)致的,此外高溫下材料的力學(xué)參數(shù)變化以及套管加工誤差也會(huì)一定程度上影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。整體而言,試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果吻合度較高。

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