滑套定位器有限元結構分析與試驗

趙建軍，張文平，朱玉杰

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

1 引言

近年來，拖動式無限級滑套分段壓裂技術，通過用于開啟滑套及拖動壓裂的連續(xù)油管組合管柱，實現對儲層多段、分級精細化壓裂，簡化壓裂施工流程，降低了施工難度[1-3]，該技術對于砂巖、碳酸巖儲層、薄儲層、低滲透、稠油油氣藏、小儲量邊際油氣藏、頁巖氣藏，可有效提高單井產量，增加采收率，實現壓后井筒全通徑，具有廣闊的應用前景[4-6]。文獻[7]為了解決蘇里格地區(qū)油井壓裂后續(xù)改造中存在的一些問題，引進了拖動式無限級滑套分段壓裂技術，現場實施效果證明，該技術具有施工效率高、壓裂點準確及壓裂規(guī)模大等諸多優(yōu)點。此外，王偉秋和王興等人先后鄂爾多斯盆地和徐深氣田開展了無限級滑套壓裂技術的現場應用，取得了較好的應用效果，對于致密油氣田的高效開發(fā)具有重要意義。

目前，針對拖動式無限級滑套分段壓裂技術的研究，主要集中在現場應用可行性驗證方面，對工具管柱關鍵零部件的結構設計優(yōu)化及性能分析方面的研究相對匱乏。滑套定位器作為拖動式無限級壓裂管柱的關鍵機構，需實現對液壓式平衡滑套在預置儲層位置的精確鎖定，為保證壓裂管柱順利下至井底，滑套定位器經過滑套變徑時，下放載荷應＜1.5t；為便于通過上提管柱觀察懸重變化判斷壓裂管柱是否下入到位，上提載荷不宜過大，（2～3）t為宜。為獲得合適的上提下放載荷，需要進行大量的地面樣機試驗，進而對滑套定位器進行結構優(yōu)化改進，對人力、經濟和時間成本需求很高，因此有必要應用有限元仿真技術，對滑套定位器上提、下放載荷進行數值模擬，以期更好得指導樣機設計及試驗，達到縮短產品研發(fā)周期的目的。為此，以滑套定位器為研究對象，應用ANSYS Workbench 軟件，對其彈性爪與滑套本體間的上提（下放）載荷進行了仿真模擬[8-10]，通過搭建滑套定位器試驗裝置，完成滑套定位器力學性能試驗，驗證了有限元分析結果的正確性，滿足拖動式無限級滑套分段壓裂施工要求。

2 總體方案及工作原理

2.1 拖動式無限級滑套分段壓裂工具總體方案

拖動式無限級滑套分段壓裂工具主要包含與套管連接入井的液壓式平衡滑套及用于開啟滑套及拖動壓裂的連續(xù)油管組合管柱。液壓式平衡滑套設計為液壓打開方式，保證工具下入和固井壓裂施工時，內滑套上下密封面位置壓力平衡不會將滑套提前打開，其中滑套打開和鎖緊機構采用彈性定位機構，結構簡單，可靠性高。滑套上接頭周向布置6 個有軸向加長的壓裂孔眼，總的泄流面積大于套管的過流面積，避免流體流經壓裂孔眼時因孔徑節(jié)流產生節(jié)流壓差，降低壓裂效果，減小流體節(jié)流壓差對工具的沖蝕破壞。壓裂孔眼與內滑套之間均填充硬質油脂，以防止工具入井及固井施工時井內碎屑及水泥漿影響滑套開關性能。

工具總體方案，如圖1 所示。在下套管作業(yè)時，液壓式平衡滑套與套管同時下入，固井后，依靠連續(xù)油管組合管柱，逐級打開壓裂滑套，進行多級壓裂，該工具實現了對水平段精確改造，壓裂級數不受限制，可實現套管內全通徑，施工快捷，不需鉆塞，不污染油層，綜合成本低。連續(xù)油管組合管柱主要包括滑套定位器、重復坐封封隔器、平衡反洗閥、扶正器、噴槍、液壓丟手等。當組合管柱下至滑套預定位置時，定位器與液壓式平衡滑套臺肩配合，此時上提管柱產生（2～3）t 上提載荷，再下放連續(xù)油管管柱坐封封隔器，通過連續(xù)油管與套管間環(huán)空加壓將液壓式平衡滑套打開，隨后進行該層段的加砂壓裂。待本層段壓裂結束后，上提管柱解封封隔器，并將組合工具上提至下一滑套處，重復壓裂作業(yè)，噴砂射孔器作為防范措施，一旦滑套無法打開，可以選擇噴砂射孔，保證正常壓裂施工。

圖1 拖動式無限級滑套分段壓裂工具總體方案Fig.1 The Scheme of Fracturing Technology of Drag-Type Infinite Sliding Sleeve

2.2 滑套定位器工作原理

滑套定位器的作用是實現對滑套位置的精確鎖定，主要由上接頭、彈性爪和導向頭組成，如圖2 所示。滑套定位器的彈性爪在井筒內壁支反力的作用下處于縮緊狀態(tài)。為了定位器在入井下放時不與滑套之間產生較大的阻力，彈性爪凸臺角度較小的斜面朝下方。定位器下至井底后，上提管柱進行校深作業(yè)，當定位器上提至滑套變徑處時，彈性爪凸臺彈至滑套變徑內，繼續(xù)上提產生約為（2～3）t 的阻力，此時通過連續(xù)油管顯示表盤可準確判斷定位器經過滑套時的懸重變化，再根據完井時的滑套數據，能夠準確判斷定位器在井內的實際位置。

圖2 滑套定位器Fig.2 Sleeve Locator

3 三維建模及有限元分析

3.1 滑套定位器三維裝配建模

根據滑套定位器上提和下放載荷設計要求，下放載荷小于1.5t，上提載荷2～3t，擬確定彈性爪關鍵結構尺寸，如表1 所示。為便于直觀分析滑套定位器在壓裂管柱上提和下放過程中的受力變形情況，基于Creo 參數化建模軟件，建立了滑套定位器彈性爪與本體變徑臺肩的三維裝配模型，如圖3 所示。

表1 滑套定位器彈性爪結構尺寸表Tab.1 Structural Dimension Table of Elastic Claw

圖3 定位器彈性爪裝配示意圖Fig.3 Assembly Diagram of Sleeve Locator Elastic Claw

3.2 滑套定位器有限元分析

3.2.1 三維模型簡化

運用ANSYS Workbench 有限元分析軟件，基于Von Mises 屈服準則及接觸非線性理論，進行滑套定位器彈性爪凸臺與滑套本體變徑臺肩之間的模擬接觸分析[11-12]，為提高仿真效率和保證結果精度，假設滑套定位器彈性爪為各向同性、連續(xù)的均質體，同時不考慮硬化和蠕變帶來的影響。為減少仿真計算迭代次數，對定位器彈性爪三維裝配模型進行適當簡化，只保留三維模型中的關鍵特征，將簡化后的三維裝配模型保存為parasolid 格式，隨后導入Workbench 軟件中，如圖4 所示，彈性爪和滑套本體的材料為42CrMo，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。

圖4 三維模型簡化示意圖Fig.4 Simplified Diagram of Sleeve Locator Elastic Claw

3.2.2 網格劃分

完成模型導入及材料屬性定義后，采用Patch Conforming 方法進行四面體網格劃分，為提高彈性爪凸臺與滑套本體接觸分析的求解精度，對兩者接觸面進行網格細化處理，經過網格光順處理后四面體網格數量為70605 個，滑套定位器網格劃分效果，如圖5 所示。

圖5 滑套定位器網格劃分效果圖Fig.5 Mesh Plot of Sleeve Locator

3.2.3 邊界條件及分析結果

為了分析滑套定位器彈性爪在滑套本體內軸向移動后產生的接觸變形及受力情況，以滑套定位器上提載荷仿真分析為例，在滑套本體左側端面插入固定約束，使得彈性爪在移動過程中滑套本體保持固定，在彈性爪右側端面插入位移約束，位移量設定為9mm，使得彈性爪向右移動，在位移驅動下，模擬彈性爪凸臺經滑套本體變徑處的收縮變形效果，滑套定位器邊界約束效果，如圖6 所示。

圖6 滑套定位器邊界約束效果圖Fig.6 Boundary Constraint Graph of Sleeve Locator

在接觸面設置過程中，將固定件滑套本體變徑面定義為接觸面，將移動件彈性爪凸臺面及45°倒角面定義為目標面，將接觸面定義為有摩擦接觸面，如圖7 所示。摩擦系數設為0.2，接觸面變形形式設置為Adjust to Touch，同時激活大變形（Large Deflection）選項，將滑套定位器彈性爪總變形量、等效應力、反作用力作為輸出結果，進行求解計算。

圖7 滑套定位器接觸面設置Fig.7 Interface Settings of Sleeve Locator

經計算，分別得到滑套定位器彈性爪總變形云圖、等效應力云圖及載荷圖，如圖8～圖10 所示。由圖可知，彈性爪最大總變形量為10.572mm，彈性爪最大等效應力837.57MPa 出現在割槽近端處，材料屈服強度為960MPa，材料強度滿足要求，最大上提載荷為24084N，同理計算得到最大下放載荷為13280N，與設計相符，滿足滑套定位器現場使用要求。

圖8 滑套定位器彈性爪總變形云圖Fig.8 Total Deformation Cloudscape of Sleeve Locator Elastic Claw

圖9 滑套定位器彈性爪等效應力云圖Fig.9 Equivalent Stress Cloudscape of Sleeve Locator Elastic Claw

圖10 滑套定位器彈性爪載荷圖Fig.10 Load Diagram of Sleeve Locator Elastic Claw

4 試驗研究

為驗證5-1/2″平衡式滑套配套滑套定位器的上提和下放載荷有限元仿真分析結果的正確性，設計了滑套定位器力學性能試驗裝置，如圖11 所示。彈性爪割縫數量為10 組，割縫寬度14mm，割縫長度400mm，試驗裝置外殼內布置兩個變徑槽，兩槽上端和下端倒角分別為45°和30°。

圖11 滑套定位器力學性能試驗裝置Fig.11 Mechanical Test Equipment of Sleeve Locator

將組裝好的試驗裝置豎直放置在拉壓試驗機下，通過試驗機壓頭頂住壓板進而下壓彈性爪，下行加載速度為20mm/min，當加載到一定噸位時，彈性爪收縮下行，記錄彈性爪的下壓載荷，當彈性爪經過兩次外殼臺階后，將試驗裝置倒置進行反方向下壓，如此反復，完成6 次測試記錄，如表2 所示。

表2 滑套定位器上提下放載荷數據表Tab.2 Load Data Sheet of Sleeve Locator

結果表明，定位角30°時彈性爪下壓載荷為（1.3～1.4）t，定位角45°時彈性爪下壓載荷為（2～2.4）t，與有限元仿真分析結果相符，通過對不同結構參數的彈性爪進行有限元仿真分析，結果表明彈性爪凸臺角度相較彈性爪割縫數量、寬度和長度而言對滑套定位器的上提和下放載荷影響最大，并且彈性爪割縫數量、寬度和長度對完井工具管串入井過程中的機械強度和可靠性影響較大，因此優(yōu)先調整凸臺角度來獲取合適的上提和下放載荷為滑套定位器設計的基本準則。此外，該試驗驗證了滑套定位器有限元結構分析的可靠性和正確性，滑套定位器滿足通過載荷變化判斷工具在井內位置的現場要求。

5 結論

（1）根據拖動式無限級滑套分段壓裂技術現場施工要求，為保證對壓裂儲層的精確定位，參照滑套定位器上提和下放載荷要求，設計了彈性爪割縫數量、長度、寬度和凸臺上提下放角度等結構尺寸，建立了滑套定位器三維裝配模型；（2）基于ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件建立了彈性爪與滑套本體靜力學接觸分析模型，通過設置材料屬性、網格劃分及邊界條件約束，完成了滑套定位器力學性能分析；（3）完成滑套定位器力學性能試驗，驗證了有限元仿真分析結果的正確性，滿足現場應用要求，今后可通過Creo 和ANSYS 軟件對滑套定位器進行參數化結構優(yōu)化交互設計，便于產品系列化，縮短研發(fā)周期，具有一定的理論價值和應用意義。