新型防噴吊卡不壓井修井作業過程仿真分析

常玉連，胡慶勇，張有鋒，李明浩

（東北石油大學，黑龍江大慶163318）①

新型防噴吊卡不壓井修井作業過程仿真分析

常玉連，胡慶勇，張有鋒，李明浩

（東北石油大學，黑龍江大慶163318）①

為了提高不壓井修井作業時油管內封堵的可靠性，針對低壓油水井的作業需求，設計出新型的不壓井防噴吊卡。該機構是將油管內封堵位置調整到井口，在油管接箍卸扣處進行動態密封。應用三維軟件建立吊卡模型，導入流體仿真軟件及運動仿真軟件進行分析，獲得了吊卡的力學和動力學數據。結果表明該機構安全、穩定。為現場使用提供了理論支持，為進一步改進防噴吊卡提供了參考依據。

不壓井作業；管內密封；防噴吊卡

在石油與天然氣開發生產的過程中，不壓井修井作業是保持正常生產的重要措施，而起下油管是修井作業中頻率較高的作業形式。現有的不壓井作業方法是在起出油管過程中，油管內壓力的封堵在油井底部或中部實現，可控性不好，若作業時封堵失效就會造成施工失敗［1-2］。為了提高油管內封堵的可靠性，針對低壓油水井的作業需求，設計出新型的不壓井防噴吊卡。該吊卡在井口封堵油管內壓力，在油管接箍卸扣處進行動態密封。為了研究該防噴吊卡的工作性能，應用Solidworks軟件建立三維模型，導入流體分析軟件FLUENT進行管內流體運動分析，最后利用動力學仿真軟件ADAMS進行作業仿真分析。通過仿真試驗，提出了現場使用新型防噴吊卡的意見。

1 結構和功能

防噴吊卡由密封壓蓋、密封筒、密封筒鎖環和吊卡組成，如圖1所示。其中：密封壓蓋與密封筒通過銷軸扭簧鉸接；密封筒和吊卡采用對開式設計；密封筒通過環形卡槽與吊卡連接，2部分可以相對轉動；鎖環用來控制密封筒的閉合與密封。

1.1 工作原理

先旋轉密封筒部分，與吊卡部分對正，張開防噴吊卡，包住油管接箍后閉合。將鎖環套入密封筒的右半部分，旋轉鎖環上的手柄，使鎖環拉緊密封筒左右2部分，形成密封腔。為了防止大鉤上方的鋼絲繩相互纏繞，密封筒與吊卡通過環形卡槽可以相對轉動；用液壓鉗對油管卸扣，當兩油管接箍處分離、油管向上提出時，密封壓蓋在扭簧作用下彈起，向上壓住油管并隨油管運動；當油管脫離密封筒，密封壓蓋壓在密封筒上形成密封腔，從而實現在卸扣過程中油管內部的封堵。

圖1 防噴吊卡結構

1.2 作業流程

新型不壓井防噴吊卡作業流程如圖2所示：在井口部位吊環卡住防噴吊卡，提升油管至下一個油管接箍處；安裝第2個不壓井防噴吊卡，用液壓鉗卸扣；上方油管卸開扣提出時，防噴吊卡密封筒的密封壓蓋彈開，形成密封腔，封堵下方油管；將上方卸下油管落下，摘下防噴吊卡，進行下一次作業［3］。

圖2 防噴吊卡工作流程

2 仿真分析

2.1 分析思路

運動機構主要由密封壓蓋、油管以及密封筒構成。在兩油管卸扣并分開后，密封筒中高壓液體推動油管由筒內向筒外運動，密封壓蓋在扭簧作用下貼住油管并伴隨油管向上轉動。當油管離開密封筒，密封蓋在液體壓力作用下加速轉動，最終撞擊密封筒而停止。

單根油管質量約92 kg，油管下端直徑?73 mm，當油壓與單根油管重力平衡時，壓力為0.215 MPa。分析入口壓力0.2～10.0 MPa時，密封筒內部壓力分布情況及零件運動情況。

對該運動過程的分析思路：首先分析密封腔內壓力分布狀況，繼而用壓力分布來求解零件運動情況，再由零件運動狀況調整液體壓力分布情況［4-5］，循環求解。

2.2 液體壓力分析

在Solidworks軟件中建立密封筒內部流體模型，如圖3所示。導入Fluent軟件中，代入設定的初始條件，分析求解。流體域設定為油管開始卸扣部位至油管脫離吊卡部位之間的空間。

圖3 流體模型

密封腔內壓力分布如圖4所示。由圖4可以看出：在入口壓力10 MPa、出口流速10 m／s和入口壓力1 MPa、出口流速為8 m／s 2種設定條件下，密封腔內液體壓力分布沒有明顯變化，基本與入口壓力相同。由動量守恒方程可知，同等條件下減小流體速度，壓力增大。密封腔內液體壓力分布在流速減小的情況下更加接近入口壓力。由此可知，防噴吊卡和油管在卸扣過程中所受液體壓力與入口壓力相同。

圖4 密封腔內壓力分布

將壓力條件代入ADAMS的簡化模型（如圖5）中，施加豎直向上的壓力和扭簧作用力，推動油管和密封蓋動作，仿真求解。

圖5 ADAMS簡化模型

2.2.1 液體壓力為10 MPa時

由圖6仿真曲線可知：當液體壓力為10 MPa時，翻蓋運動速度在0～0.015 s內緩慢增加，0.015 s后速度迅速增加，在0.023 3 s時刻，接觸到密封筒，速度降為0，之后有振動發生；油管在0～0.02 s時加速向上運動，速度峰值6.26 m／s之后脫離防噴吊卡；0.3 s后趨于穩定，波動峰值超過穩定高度0.028 m，在翻蓋接觸密封筒時，密封筒翻蓋與油管之間形成的空間約6 mm高，這部分液體將發生噴濺。

圖6 液體壓力10 MPa時仿真曲線

2.2.2 液體壓力為5 MPa時

由圖7仿真曲線可知：當液體壓力為5 MPa時，翻蓋運動速度在0～0.028 s內緩慢增加，0.034 s后速度迅速增加，在0.036 s時刻，接觸到密封筒，速度降為0，之后有震動發生；油管在0～0.036 s時加速向上運動，速度峰值4.18 m／s，之后脫離防噴吊卡；0.2 s后趨于穩定，波動峰值超過穩定高度0.016 m，在翻蓋接觸密封筒時，密封筒翻蓋與油管之間形成的空間約4 mm高，這部分液體將發生噴濺。

圖7 液體壓力5 MPa時仿真曲線

由仿真結果可知：密封筒內液體壓力與油管離開密封筒時的速率成正比，壓力越大油管脫離速度越大，振動越明顯。結合仿真結果和現場試驗，該防噴吊卡只適宜液體壓力不大于5 MPa的低壓油水井作業。

3 結論

1） 建立了防噴吊卡的三維模型，對關鍵部件進行受力分析，得到防噴吊卡的受力數據。通過液體壓力分析和運動仿真分析，模擬防噴吊卡的工作狀況，得到了不同工況下吊卡內部液體壓力分布數據和動力學數據。分析結果顯示：該防噴吊卡在油管內壓力小于5 MPa的工作環境下運行穩定，為進一步改進新型防噴吊卡的結構提供了依據，并對現場使用提供了理論支持。

2） 該防噴吊卡結構簡單，適應性好。作業時，工作位置處于井口上方，不用考慮井內管柱彎曲，異物等復雜情況，提高了工作效率。

［1］ 蔡彬，彭勇，閆文輝，等.不壓井修井作業裝備發展現狀分析［J］.鉆采工藝，2008，31（6）：106-109.

［2］ 韓勇，王毅.我國油管內密封工具的現狀分析［J］.鉆采工藝，2003，26（4）：56-57，66.

［3］ 常玉連，魏靜，高勝，等.獨立式不壓井作業裝備技術發展［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：12-16.

［4］ 于人杰，孫凌玉.流體驅動薄板旋轉過程的流固耦合仿真及試驗驗證［C］／／第七屆中國CAE工程分析技術年會暨2011全國計算機輔助工程（CAE）技術與應用高級研討會論文集，2011：388-396.

［5］ 宋學官.Ansys流固耦合分析與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

Simulation Analysis of New Snubbing Workover Plugging and Elevating Tool

CHANG Yu-lian，HU Qing-yong，ZHANG You-feng，LI Ming-hao
（Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

A design of new plugging elevator was put forward to meet the functional requirements of low pressure snubbing workover system.This tool can seal the tube at wellhead during the tubing breakout process.The results of stress analysis and dynamics simulation show the performance of this tool is safe and stable.The result provides theoretical support for field test and forward research.

snubbing workover；tubing sealing；plugging elevator

TE935

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.007

1001-3482（2014）07-0026-04

2014-01-11

黑龍江省科技攻關項目“新型修井作業機械化系統關鍵技術研究”（GC09A525）

常玉連（1951-），男，遼寧鞍山人，教授，博士生導師，主要從事機械系統仿真與控制技術研究，E-mail：cyl＠dqpi.edu.cn。