鄭 偉

(中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434023)

連續(xù)油管注入頭是連續(xù)油管進(jìn)、出井的關(guān)鍵設(shè)備。兩個同步液壓馬達(dá)正反向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動兩個相對排列的鏈輪工作。連續(xù)油管在夾緊系統(tǒng)鏈條之間用鞍形夾持塊夾緊，隨鏈條一起轉(zhuǎn)動，克服連續(xù)油管承受井下壓力所產(chǎn)生的上頂力和摩擦力。將連續(xù)油管下入井內(nèi)或靜止或者出井。夾持系統(tǒng)是注人頭最重要的部件。其性能直接影響到整套設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和施工安全性。

1 夾持系統(tǒng)的力學(xué)分析

連續(xù)油管在均勻分布的外徑向夾緊力和軸向拉力作用下的應(yīng)力分布可以分解為兩種載荷單獨作用下的應(yīng)力分布的線性疊加。垂直載荷包括連續(xù)油管上端的軸向載荷和鏈條與夾塊之間由于相互摩擦而產(chǎn)生的摩擦阻力。連續(xù)油管的軸向載荷主要包括井筒流體對連續(xù)油管的上頂力、懸掛連續(xù)油管本身的重力、連續(xù)油管在井內(nèi)的運動和井壁之間的摩擦力。

1.1 軸向力學(xué)分析

當(dāng)連續(xù)油管注入頭工作時，其軸向載荷隨井深的變化而變化。軸向載荷通常包括懸掛式連續(xù)油管本身的重力、連續(xù)油管與井筒相互作用產(chǎn)生的摩擦阻力、防噴器膠芯與連續(xù)油管接觸產(chǎn)生的摩擦力以及連續(xù)油管運動產(chǎn)生的動載荷。連續(xù)油管軸向力學(xué)公式如下：

公式中：D-連續(xù)油管外徑尺寸，m；d-連續(xù)油管內(nèi)徑尺寸，m；P-井口壓力，MPa；由于沒有考慮連續(xù)管與井壁之間的摩阻，應(yīng)該以1.1-1.2倍的系數(shù)來確定最大軸向力。

1.2 夾持塊夾緊力分析

當(dāng)連續(xù)油管注入頭的鏈條通過液壓馬達(dá)動態(tài)旋轉(zhuǎn)時，夾持塊與注入頭鏈條之間的摩擦力可以克服連續(xù)油管的最大軸向載荷，注入頭鏈條的方向始終與摩擦力的方向相反。連續(xù)油管可靠夾緊所需的夾緊力表達(dá)式如下：

N=F/μ

其中：N-夾持塊的夾緊力；μ-夾持塊與連續(xù)油管的摩擦因數(shù)，μ=0.45-0.62； F-連續(xù)管所承受的軸向載荷，N。

2 注入頭夾持塊的力學(xué)分析

夾持塊是與連續(xù)油管直接接觸的關(guān)鍵零部件。有必要對其負(fù)荷進(jìn)行分析，注人頭夾持塊工作狀態(tài)圖如圖1所示。

1-夾緊裝置；2-鏈輪；3-鏈條；4-夾持塊；5-連續(xù)油管；6-導(dǎo)向口

在力學(xué)中摩擦力公式是：

式中：f -連續(xù)油管與夾持塊的摩擦力，F(xiàn)1-注入頭上提力或下入力，N。摩擦力與注入頭的上提力、下入力F1相等。

3 夾持塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

夾持塊的夾緊能力對連續(xù)油管注入頭的使用性能有非常重要的影響。 結(jié)構(gòu)合理的夾持塊可以在連續(xù)油管中起到保護(hù)作用，最大限度地減少連續(xù)油管的損壞，延長連續(xù)油管的使用壽命。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在給定約束下優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化的目的是盡可能減少連續(xù)管應(yīng)力的大小。

圖2 連續(xù)管夾持塊夾持油管模型圖

根據(jù)夾持塊的結(jié)構(gòu)示意圖(圖2)，主要參數(shù)是夾持塊的半節(jié)距，內(nèi)表面的凹槽間距，凹槽的形狀，兩對夾持塊之間的距離，夾持塊的內(nèi)徑等，對這些參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化使得連續(xù)油管達(dá)到最小等效應(yīng)力和最小變形，因此優(yōu)選主要參數(shù)的一系列值。連續(xù)油管夾持塊的有限元分析模型如圖3～5所示。連續(xù)油管的外徑為73 mm，壁厚為4 mm，夾緊壓力為3.5 MPa，摩擦系數(shù)為0.46，軸向力為100 kN。

圖3 夾持塊三維圖

圖4 有限元分析模型

圖5 夾持塊半間距示意圖

半間距L在連續(xù)油管上可以表示為連續(xù)油管和夾持塊之間的接觸區(qū)域。根據(jù)四機(jī)廠設(shè)計的2 7/8"夾持塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)，夾持塊半間距的初始值首先選擇為2 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)夾持塊保持不變，半間距從2 mm逐漸增加到18 mm。由ABAQUS有限元軟件計算的連續(xù)管最大等效應(yīng)力和最大變形，圖6～9是半間距為不同值時夾持塊和連續(xù)油管的等效應(yīng)力云圖。

圖6 夾持塊之間2 mm半空距的分析結(jié)果

圖7 夾持塊之間6 mm半空距的分析結(jié)果

圖8 夾持塊之間10mm半空距的分析結(jié)果

圖9 夾持塊之間15 mm半空距的分析結(jié)果

通過分析計算得到了夾持塊半間距的變化趨勢，見表1。

表1 不同半間距的最大等效應(yīng)力和最大變形數(shù)值

從表1中可以看出，連續(xù)油管的最大等效應(yīng)力和最大變形隨著夾持塊半間距從2 mm增加到18 mm，圓周上的包角逐漸減小，即連續(xù)油管的應(yīng)力和變形不斷惡化；當(dāng)夾持塊的半間距大于8 mm，最大應(yīng)力和最大變形變化較大；當(dāng)夾持塊的半間距數(shù)值小于等于8 mm，連續(xù)油管的最大應(yīng)力和變形變化不大，說明半間距在取8 mm時，連續(xù)油管的應(yīng)力和變形趨于穩(wěn)定。