稠油熱采用連續管懸掛密封器懸掛機構優化設計

傅登偉, 郭秀媛, 翟亞鋒, 李 子, 邱福壽, 東 方

(1中石油新疆油田公司實驗檢測研究院 2中石油新疆油田公司質量設備節能處 3中石油西部鉆探工程有限公司鉆井工藝研究院 4中石油新疆油田監理公司)

0 引言

稠油熱采用緊湊型連續管井口懸掛密封器由盤根盒體、隔環、密封盤根、耳式壓盤、懸掛機構依次連接構成,具有結構簡單、可配套帶壓提下裝置作業等優點，應用于新疆油田稠油熱采井口裝置，可解決井口空間位置較小情況下連續管的懸掛密封問題，同時為超稠油熱力開采工藝提供必要的井口設備支持。現場作業過程中，為掌握油層吸汽程度及均勻性[1-2]，單井水平段需下入連續管(內置測試儀器)進行井底測溫、測壓[1]，連續管下入深度600～800 m，其懸掛機構的可靠性尤為重要[3-5],懸掛機構由卡瓦座、卡瓦、壓帽構成，在卡瓦座內裝入卡瓦、墊環，上緊壓帽，保證懸掛可靠。懸掛機構見圖1。

圖1 懸掛機構結構圖

本文針對連續管的懸掛問題，在懸掛密封機構的設計中，采用田口優化方法及傳統的二次序列規劃法對其關鍵零部件(卡瓦)進行優化設計，通過對比分析兩種優化方法確定出卡瓦的最佳結構尺寸，通過預制載荷對卡瓦進行室內試驗，結果表明經田口優化方法確定出的卡瓦結構具有較高的可靠性，可為緊湊型連續管井口懸掛密封裝置現場作業的安全提供保障。

1 懸掛機構優化設計

1.1 受力分析及優化目標、變量確定

對懸掛密封機構中的關鍵零部件卡瓦進行受力分析，如圖2所示，其所處工況如表1所示。

從圖2可知，卡瓦受到卡瓦座的作用力F(可分解為F1、F2)和懸掛的連續管自重Fg的作用會產生一定的滑稅或變形，卡瓦的摩擦力可表示為μF1，懸掛連續管時，力學表達式為：

μF1-Fg=ma

(1)

式中：μ—摩擦系數;m—卡瓦的質量，kg;a—加速度m/s2。

分析式(1)，如果增強卡瓦的懸掛性能，需要增大卡瓦的摩擦力μF1，因此將牙距、槽寬、槽深確定為變量。

圖2 卡瓦受力示意圖

表1 卡瓦工況表

1.2 二次序列規劃法優化

二次序列規劃法是目前公認的求解約束非線性優化問題的最有效方法之一，它的收斂性好、計算性高、邊界搜索能力強，但其迭代過程中的每一步都需要求解一個或多個二次規劃子問題。

采用序列二次規劃法對卡瓦進行結構優化，優化收斂公差為1%，最大優化迭代次數設為20，通過多通道迭代獲得精確最優解。

通過兩次迭代試驗，可確定牙距3.0 mm、槽寬2.5 mm、槽深30 mm(即序列5)為最優解，最優解對應的應力為19.5 MPa，迭代曲線圖見圖3～圖4。

圖3 第一次迭代試驗

1.3 田口優化方法

1.3.1 田口優化方法介紹

田口優化方法是日本田口玄一博士創立的，它是一種質量設計方法,同時是一種低成本、高效益的質量工程方法，它強調產品質量的提高不是通過檢驗，而是通過設計。該方法將數理統計、經濟學應用到品質管理工程中，提出了S/N(信噪比)的概念，并有效地將它作為試驗指標應用到正交試驗設計中，提出了以正交試驗表和信噪比為工具的三次設計(即系統設計、參數設計和容差設計)，用以選擇參數間的最優水平組合及其容差。田口的正交試驗方法具有試驗次數較少、試驗結論可靠、良好的再現性和分析計算簡單等優點，得到了廣泛的應用。

圖4 第二次迭代試驗

由于影響卡瓦懸掛性能的因素比重尚不明確，因此，創新采用田口優化方法，設計出直交表進行數據分析，對其結構尺寸進行優化設計。

信噪比源于通信的信號、雜音比概念，田口方法用信噪比來度量產品質量波動大小，是參數設計的核心。信噪比的值越大，該影響因子對系統影響就越大。信噪比的極差越大，影響因子的影響就越大,信噪比根據使用場合要求的不同分為望目特性、望小特性和望大特性。較為常用的為望小及望目特性。其性噪比為：

(2)

式中：S/N—信噪比;y—輸出特性;n—因子數。

采用該方法優化，根據優化目標，確定影響變量及約束范圍，通過變量水平值的選取進行正交試驗，結合各因素影響權重分析、交互作用分析、等值曲面等全方位分析，確定最優解，一定程度上保證了最優解的可靠性。

1.3.2 田口試驗

根據井口裝置結構尺寸、連續管尺寸等約束條件，確定變量牙距2.0 mm、槽寬2.0 mm、槽深25 mm為基準1，同時確定每個變量的水平為3，針對每個變量，結合約束條件，在基準1上下各取1值。取值如表2所示。

用Minitab軟件根據表2設計變量的水平值建立正交試驗組合，如表3所示。

表2 各因子水平值

表3 各因子水平值

通過Workbench軟件，對每組因子組合建模，同時模擬工況分析，如圖5所示，每組因子模擬的摩擦力值見表4。

圖5 卡瓦模型及受力分析圖

表4 組合對應的摩擦力值表

1.3.3 變量分析

用Minitab軟件進行因子影響權重分析，如圖6所示：

從圖6可得，根據斜率程度判斷影響權重，牙距>槽寬>槽深。

根據影響權重分析，結合等值曲面點觀測，進一步明確因子最大值組合。等值曲面圖如圖7所示。

從圖7中可以得出：

1)槽寬2.0 mm牙距2.5 mm，摩擦力最大。

2)槽寬2.0 mm槽深25 mm，摩擦力最大。

3)槽深25 mm牙距2.5 mm，摩擦力最大。

圖6 各因子影響權重分析圖

圖7 各因子等值曲面圖

通過等值曲面分析，初步確定各因子組合，為保證組合的準確性，進行交互作用分析，交互作用分析如圖8所示。

從圖8可知，當槽深20～25 mm變化，牙距2.0～2.5 mm變化時，兩段曲線平行，不存在交互作用。

結合以上分析，最終確定最優組合:牙距2.0 mm，槽寬2.5 mm，槽深25 mm。

圖8 各因子交互作用分析

表5 室內試驗情況表

2 室內模擬試驗

對懸掛機構的懸掛性能進行室內試驗，根據連續管的實際重量，按照1.5～3倍的載荷加載，試驗情況見表5。

對序列二次規劃法和田口優化方法的結果進行對比分析，結果見表6。

表6 優化前后對比表

由表6可得，通過田口優化算法優化尺寸后求解的摩擦力比序列二次規劃法求解后得的摩擦力大6.7 kN。結合懸掛機構的室內試驗，卡瓦均未出現損傷，也無滑脫現象，驗證了懸掛性能的可靠性，用田口優化算法優化后的卡瓦懸掛性能較好。

3 結論

連續管井口懸掛密封器的懸掛機構卡瓦，采用二次序列規劃法及田口優化方法對其結構尺寸進行優化，最終確定最優結構尺寸，通過室內試驗，驗證了田口優化方法的可靠性。

1)牙距、槽寬、槽深為影響影響卡瓦懸掛能力的主要參數，通過不同的參數組合結合實驗分析方法，可得到優選參數解。

2)根據不同的算法，可得到基于不同理論基礎下的兩組優選參數解。

3)通過室內試驗的方式可對不同理論基礎下的兩組優選參數解進行驗證，得到最優解。