永久式封隔器卡瓦斷裂模擬分析

蔡萌，張倩，李朦，王鵬，劉照義

(中石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江 大慶 163453)(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

永久式封隔器主要用于油氣井壓裂、完井、酸化、試油等井下作業(yè)中，封隔器卡瓦是其中一個(gè)重要部件，它主要起到錨定套管、支撐封隔器、鎖定膠筒的作用[1～4]。國(guó)外永久式封隔器主要包括：貝克休斯公司的SAB-3型、斯倫貝謝公司的QLH型、哈里伯頓公司的Perma-series型、Smith公司的ES型、威德福公司的UltraPak TH型等。國(guó)內(nèi)在永久式封隔器方面研究進(jìn)展較快，耐溫承壓指標(biāo)基本滿足國(guó)內(nèi)常規(guī)油氣井需求。但是在高溫、高壓深層油氣井方面，封隔器材質(zhì)及結(jié)構(gòu)還有諸多方面需要攻關(guān)[5～8]。永久式封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)封隔器承壓性能有較大影響，有必要開展封隔器卡瓦斷裂數(shù)值模擬分析，為卡瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)化、減小套管損傷、現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論指導(dǎo)。

1 永久式封隔器結(jié)構(gòu)

永久式封隔器結(jié)構(gòu)主要是由上接頭、密封段、工作筒、中心管、上卡瓦、膠筒、下卡瓦、鎖環(huán)、外套、下接頭等組成，如圖1所示。

圖1 永久式封隔器結(jié)構(gòu)

2 永久式封隔器卡瓦室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1 坐封試驗(yàn)

將永久式封隔器按圖2組裝，然后沿水平方向緩慢送入套管短接內(nèi)，將封隔器膠筒及卡瓦部分全部推入套管[9,10]。隨后將堵塞器鎖芯及配套工作筒、變扣與永久式封隔器下接頭連接，再將密封段與打壓頭連接。

圖2 永久式封隔器坐封試驗(yàn)裝置

表1 坐封試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注：封隔器上、下卡瓦破碎時(shí)壓力分別為20、30MPa。

采用室內(nèi)高壓泵從打壓頭打壓至1MPa，穩(wěn)壓情況良好，無滲漏現(xiàn)象，繼續(xù)打壓至10MPa，穩(wěn)壓5min壓力無明顯下降。繼續(xù)打壓至15MPa，穩(wěn)壓5min壓力無明顯下降。繼續(xù)打壓至20MPa，壓力瞬間降至17MPa， 后緩慢上升，穩(wěn)壓5min，壓力降至19.9MPa。繼續(xù)打壓至25MPa，穩(wěn)壓5min，壓力降至24.8MPa，最高打壓至30MPa，壓力瞬間降至25MPa，后緩慢上升，穩(wěn)壓5min，壓力降至29.8MPa。通過觀察打壓過程中封隔器壓力、聲音變化，判斷兩組封隔器卡瓦斷裂，封隔器已坐封。封隔器坐封后，泄壓再打壓至30MPa，反復(fù)2次均穩(wěn)壓5min，壓力無明顯下降，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1.2 錨定試驗(yàn)

將動(dòng)力工具夾持在臺(tái)鉗上，并與套管短接連接，動(dòng)力工具拉桿通過變扣及配長(zhǎng)工具與插入密封段連接，如圖3所示。將動(dòng)力工具與打壓管線連接，依次打壓5、10、12MPa，并分別穩(wěn)壓5min，永久式封隔器與套管相對(duì)無位移，計(jì)算相應(yīng)的錨定力，其值分別為14.5、29.0、34.8kN。

圖3 永久式封隔器錨定試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

坐封試驗(yàn)中，永久式封隔器錐體動(dòng)作靈活，封隔器上、下卡瓦破碎時(shí)壓力分別為20、30MPa，穩(wěn)壓過程中，壓力無明顯下降，泄壓后觀察卡瓦破裂為3瓣，如圖4所示，斷裂部位均為設(shè)計(jì)斷裂部位，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。錨定試驗(yàn)中，動(dòng)力工具最高打壓12MPa(當(dāng)量拉力為34.8kN)，永久式封隔器與套管相對(duì)無位移，錨定情況滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求。

圖4 永久式封隔器卡瓦室內(nèi)斷裂試驗(yàn)結(jié)果

3 永久式封隔器上卡瓦斷裂模擬分析

封隔器上、下卡瓦結(jié)構(gòu)類似，以上卡瓦為例進(jìn)行斷裂模擬分析，如圖5所示。

3.1 永久式封隔器上卡瓦簡(jiǎn)化分析模型

根據(jù)永久式封隔器卡瓦的工作原理，中心管、鎖環(huán)和活塞對(duì)卡瓦斷裂過程的影響較小。因此，在計(jì)算模型中忽略上述部件[11,12]，得到上卡瓦受力簡(jiǎn)化模型(見圖6)。

圖5 封隔器上卡瓦模型 圖6 上卡瓦受力簡(jiǎn)化模型

圖7 上卡瓦結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型

3.2 有限元網(wǎng)格劃分

對(duì)永久式封隔器卡瓦有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析，接觸包括錐體與卡瓦，卡瓦與套管，接觸采用面-面接觸單元。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，錐體和套管采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為4mm，因?yàn)榭ㄍ呓Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，卡瓦采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

3.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)永久式封隔器卡瓦在井下的工況條件，對(duì)其計(jì)算模型的邊界條件進(jìn)行處理：①卡瓦底面固定約束，同時(shí)在錐體上表面施加軸向面載荷；②套管在水泥固井條件下保持固定不動(dòng)，因此對(duì)套管施加固定約束；③設(shè)置迭代計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)為0.05s。卡瓦單元失效控制參數(shù)如表2所示。

在材料子程序中，通過關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION制定單元失效。在材料子程序運(yùn)行結(jié)束后，LS-DYNA3D根據(jù)關(guān)鍵字定義的破壞準(zhǔn)則來判斷單元是否失效，如果失效，則在有限元計(jì)算模型中刪除單元，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)所有關(guān)聯(lián)的單元全部失效后，該節(jié)點(diǎn)在有限元計(jì)算模型中被刪除。

表2 卡瓦單元失效控制參數(shù)

3.4 模擬結(jié)果分析

整體永久式封隔器卡瓦是開槽夾角為120°的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外側(cè)分別設(shè)有單側(cè)開槽以起到補(bǔ)充斷裂不充分的作用。施加軸向載荷，永久式封隔器卡瓦接觸面承受主要壓力，在合外力作用下內(nèi)部網(wǎng)格單元發(fā)生變形，產(chǎn)生位移和應(yīng)力，并傳遞至卡瓦牙齒，在外側(cè)套管作用下進(jìn)行固定坐封。

當(dāng)上錐體對(duì)永久式封隔器卡瓦施加載荷達(dá)到17MPa時(shí)，永久式封隔器卡瓦單元上的最大等效應(yīng)力達(dá)到586MPa，超過抗拉強(qiáng)度450MPa，達(dá)到初次破裂，第1裂紋萌生,如圖8(a)所示。初次斷裂(第1裂紋擴(kuò)展)后，由于卡瓦未完成錨定，永久式封隔器卡瓦等效應(yīng)力瞬間降為407MPa，軸向位移在外載荷作用下呈波動(dòng)性增大，如圖8(b)所示。

圖8 初次加載17MPa時(shí)上卡瓦等效應(yīng)力圖

當(dāng)上錐體對(duì)永久式封隔器卡瓦施加載荷達(dá)到19.5MPa時(shí)，當(dāng)永久式封隔器卡瓦初次破碎后，在上錐體外載荷作用下受到擠壓使其外部卡瓦牙嵌入套管內(nèi)壁的卡槽內(nèi)。此時(shí)永久式封隔器卡瓦發(fā)生斷裂所受的主要作用是彎曲應(yīng)力如圖9(a)所示。當(dāng)卡瓦內(nèi)部單元應(yīng)力達(dá)到594MPa，超過抗拉強(qiáng)度450MPa，卡瓦發(fā)生二次破裂，永久式封隔器卡瓦等效應(yīng)力瞬間降為460MPa,如圖9(b)所示。

當(dāng)上錐體對(duì)永久式封隔器卡瓦施加載荷達(dá)到23MPa時(shí)，由于套管內(nèi)壁的錨定作用， 此時(shí)卡瓦受力持續(xù)增大，在很短時(shí)間內(nèi)，應(yīng)力又達(dá)到592MPa，超過抗拉強(qiáng)度450MPa，第3個(gè)開槽處發(fā)生斷裂，達(dá)到完全錨定的效果，如圖10所示。

圖9 二次加載19.5MPa時(shí)上卡瓦等效應(yīng)力圖

圖10 三次加載23MPa時(shí)上卡瓦完全斷裂后等效應(yīng)力圖

永久式封隔器卡瓦完全破裂后，卡瓦上的應(yīng)力仍保持較高值，說明卡瓦牙已充分壓入套管內(nèi)壁，起到永久固定的作用，較好地模擬了完井管柱核心部件永久式封隔器卡瓦的斷裂錨定坐封過程。

4 結(jié)論

1)采用LS-DYNA對(duì)永久式封隔器上卡瓦的斷裂過程進(jìn)行了有限元分析，得到永久式封隔器上卡瓦斷裂臨界點(diǎn)，模擬給出了卡瓦斷裂裂紋形態(tài)。

2)借助室內(nèi)試驗(yàn)手段，對(duì)永久式封隔器卡瓦進(jìn)行了不同參數(shù)下的斷裂試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲得了永久式封隔器上卡瓦破裂的范圍。

3)數(shù)值模擬卡瓦斷裂錨定過程與室內(nèi)試驗(yàn)得出結(jié)果基本符合，該數(shù)值模擬方法可以用于類似卡瓦斷裂分析，彌補(bǔ)了試驗(yàn)過程中不同外力作用下操作次數(shù)繁復(fù)和檢測(cè)不連續(xù)等缺點(diǎn)，通過試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相互驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)永久式封隔器卡瓦錨定過程的全面研究，模擬結(jié)果具有較好的工程指導(dǎo)意義。