王曉，李清濤，劉傳剛，劉景超，邢洪憲，王堯，鄧晗，姚智翔

中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司（天津 300452）

0 引言

刮管器是重要的套管內(nèi)壁清潔工具，其性能的好壞在完井作業(yè)中對(duì)工作液清潔、管柱下入摩阻、封隔器密封、鋼絲作業(yè)、儲(chǔ)層保護(hù)等有重要影響。目前常用的刮管器多為單一工作內(nèi)徑的刮管器，僅能在一種內(nèi)徑的井筒中進(jìn)行刮管清洗作業(yè)[1-4]。當(dāng)需要清洗的井段為兩種不同內(nèi)徑時(shí)，則需要更換不同的刮管器。由于海上油田刮洗的位置通常在2 000~3 000 m深度，更換刮管器需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了海上作業(yè)效率。

設(shè)計(jì)了一種可變徑刮管器，適用于159.4~220.5 mm（7"~95/8"）套管的刮管需求，并對(duì)其核心結(jié)構(gòu)板簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于理論分析和有限元數(shù)值模擬方法，研究了滑套可變徑刮管器板簧結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并通過(guò)功能實(shí)驗(yàn)與理論、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了理論研究的準(zhǔn)確性。相關(guān)研究方法和結(jié)論可為新型可變徑刮管器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作工況

海上油田套管根據(jù)設(shè)計(jì)差異，不同位置通常有不同的尺寸。其中一種較為常見的結(jié)構(gòu)為上部220.5 mm（95/8"）套管，下部159.4 mm（7"）套管，如圖1所示。當(dāng)進(jìn)行刮管清洗作業(yè)時(shí)，需要先下220.5 mm的刮管器，刮洗完成后，起出刮管器，更換159.4 mm的刮管器，再次下入井中，進(jìn)行刮洗作業(yè)。由于刮洗的位置普遍較深，通常在2 000~3 000 m深，更換刮管器需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。

圖1 海上常見套管結(jié)構(gòu)示意圖

可變徑刮管器在220.5 mm和159.4 mm套管內(nèi)都可以作業(yè)，即可以刮完220.5 mm的套管后，直接刮洗159.4 mm套管，一次完成220.5 mm和159.4 mm套管的刮洗作業(yè)，如圖2（a）、（b）所示。根據(jù)相關(guān)使用要求在220.5 mm和159.4 mm套管內(nèi)時(shí)，板簧的彈力需要控制在300~1 300 N。

圖2 可變徑刮管器刮套管示意圖

1.2 可變徑刮管器基本結(jié)構(gòu)

可變徑刮管器的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由芯軸、上接頭、彈簧、固定栓、板簧、刮刀組成。板簧的兩端安裝在固定套上，對(duì)板簧起到固定和約束作用，刮刀片安裝在板簧的中央。其中，板簧是可變徑刮管器的核心部件，其主要作用是通過(guò)板簧壓縮后產(chǎn)生的反力作用在卡瓦，使卡瓦貼緊套管壁，板簧反力的大小直接決定了刮管器刮削力的大小。板簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是影響刮管器設(shè)計(jì)的核心因素，需要根據(jù)使用工況對(duì)板簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 可變徑刮管器主要部件構(gòu)成示意圖

2 可變徑刮管器板簧結(jié)構(gòu)受力理論分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 板簧結(jié)構(gòu)受力分析

板簧結(jié)構(gòu)是一種常見的彈性結(jié)構(gòu)，普遍應(yīng)用于汽車、建筑等領(lǐng)域，具有力學(xué)性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。為了滿足大變徑的需求，設(shè)計(jì)采用了弓形的結(jié)構(gòu)，如圖4（a）所示?？勺儚焦喂芷髦饕ㄟ^(guò)徑向位移載荷作用下的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)刮削和變形功能，其板簧結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為一端固定，一端簡(jiǎn)支的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。壓力載荷施加于板簧結(jié)構(gòu)中間位置，板簧結(jié)構(gòu)及截面形狀如圖4（b）所示。

圖4 變徑刮管器板簧結(jié)構(gòu)示意圖

板簧截面慣性矩I為：

根據(jù)簡(jiǎn)支梁撓度與載荷力公式：

式（1）、式（2）聯(lián)合可得，板簧在工作狀態(tài)中受到的頂部壓力P為：

同時(shí),對(duì)于刮管器存在：

所以：

式中：b為板簧寬度，mm；h為板簧高度，mm；P為板簧的頂部壓力，N；L為板簧長(zhǎng)度，mm；E為板簧材料彈性模量，MPa；w為板簧徑向方向的壓縮距離，mm；D為刮管器的外徑，mm；d為對(duì)應(yīng)套管的內(nèi)徑，mm。

刮管器工作工程中刮削力F為：

式中：F為所有板簧刮削過(guò)程的軸向力，N；n為板簧的數(shù)目；μ為刮板與套管間的摩擦系數(shù)。

2.2 板簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

板簧結(jié)構(gòu)所用材料為60Si2Mn，彈性模量為2.06×1 011 Pa，泊松比為0.3，板簧長(zhǎng)度1 000 mm，其截面寬度為22 mm，厚度為5 mm，板簧的壓縮高度需要設(shè)計(jì)計(jì)算，而板簧的高度通過(guò)刮管器的外徑進(jìn)行控制。根據(jù)上述公式計(jì)算求得刮管器外徑對(duì)板簧支反力的影響關(guān)系，如圖5所示。

圖5 變徑刮管器板簧支反力隨外徑變化曲線

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，刮管器的板簧在220.5 mm和159.4 mm套管內(nèi)，板簧的彈力需要控制在300~1 300 N。由圖5可知，在220.5 mm和159.4 mm套管內(nèi)刮管器板簧的支反力均隨著外徑的增大線性增大。當(dāng)外徑大于247 mm時(shí)，板簧支反力大于300 N；當(dāng)外徑小于274 mm時(shí)，板簧支反力小于1 300 N。因此刮管器的外徑D應(yīng)滿足247 mm≤D≤274 mm?？紤]到支反力過(guò)大容易造成板簧變形，取刮管的外徑為260 mm。

3 可變徑刮管器板簧有限元分析

3.1 可變徑刮管器板簧模型建立

為了更加準(zhǔn)確了解板簧的支反力及變形情況，檢驗(yàn)其強(qiáng)度是否滿足要求，目前主要通過(guò)有限元法建立其模型，模擬計(jì)算在工作狀態(tài)下板簧的變形情況及應(yīng)力分布[9-10]。

主要步驟如下：①根據(jù)確定的板簧基本結(jié)構(gòu)及尺寸建立板簧的三維模型，并在板簧的頂部設(shè)置一個(gè)矩形壓塊，模擬套管對(duì)板簧的壓縮作用，板簧和壓塊之間設(shè)置接觸對(duì)。②在板簧的兩端施加滑動(dòng)約束，壓塊上施加向下的位移荷載，模擬計(jì)算不同外徑的套管對(duì)刮管器板簧的壓縮作用。對(duì)所有結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格后的模型如圖6所示。在壓縮過(guò)程中，板簧的變形較大，計(jì)算采用大變形的非線性求解器。

圖6 板簧的網(wǎng)格模型和接觸設(shè)置

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)行求解得到板簧在5、20、35、50 mm壓縮距離下表面的Mises應(yīng)力分布和變形情況，計(jì)算結(jié)果匯總應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 不同壓縮距離時(shí)板簧表面Mises應(yīng)力云圖

當(dāng)壓縮距離為5、20、35、50 mm時(shí)，板簧表面最大Mises應(yīng)力主要發(fā)生板簧的根部，其最大值分別為141、504、828、1 183 MPa。板簧的材質(zhì)為合金彈簧鋼60Si2Mn，屈服強(qiáng)度1 274 MPa，表面各處的應(yīng)力均小于其屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生屈服變形，說(shuō)明板簧的強(qiáng)度滿足要求。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，得到不同壓縮距離時(shí)板簧的支反力和表面最大Mises應(yīng)力,并計(jì)算板簧在不同壓縮距離下支反力的理論值，匯總對(duì)比如圖8所示。

圖8（a）為不同壓縮距離時(shí)板簧的理論與數(shù)值模擬支反力對(duì)比圖，兩者的變化規(guī)律完全一致，計(jì)算結(jié)果非常接近，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果略大于理論計(jì)算。以壓縮距離為50 mm時(shí)為例，支反力的理論計(jì)算值與數(shù)值模擬值分別為1 133 N和1 210 N，誤差僅6%。

圖8（b）為不同壓縮距離時(shí)板簧的最大表面應(yīng)力隨壓縮距離的變化情況，其分布幾乎成線性規(guī)律。在設(shè)計(jì)的壓縮行程內(nèi)，板簧的表面Mises應(yīng)力始終小于板簧的屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生屈服變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 不同壓縮距離時(shí)板簧支反力和最大Mises應(yīng)力變化

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對(duì)加工好的刮管器板簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程如圖9所示，將板簧及固定套安裝在一根軸上，軸的尺寸與刮管器芯軸的尺寸保持一致。測(cè)試使用的為TWL型拉壓試驗(yàn)機(jī)，加載方式為位移控制加載，加載速度為50 mm/min。壓力試驗(yàn)機(jī)的壓頭作用在板簧的中部，通過(guò)電腦記錄板簧的壓縮位移和支反力變化。

測(cè)試得到板簧的壓縮位移和支反力變化如圖9（b）所示，在壓縮過(guò)程中板簧的支反力隨壓縮位移線性增加，與理論及有限元分析一致。當(dāng)壓縮位移為50 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的支反力為1 250 N，其數(shù)值模擬計(jì)算為1 210 N，理論計(jì)算結(jié)果為1 133 N。與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分別比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果小9.36%和3.20%?？梢姅?shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性略高于理論計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性。

圖9 板簧的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

可變徑刮管器取得實(shí)驗(yàn)測(cè)試成果后，開始在海上油田常規(guī)套管井和防腐套管井應(yīng)用。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于渤海、南海等多個(gè)海域，使用超過(guò)數(shù)十口井次。工具出井后沒有出現(xiàn)變形、斷裂等情況，并取得了良好的刮管效果。

5 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了可用于159.4~220.5 mm（7"~9?"）套管的可變徑刮管器，對(duì)設(shè)計(jì)的可變徑刮管器板簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，得到了板簧支反力和長(zhǎng)度、寬度、壓縮高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的規(guī)律，并初步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)尺寸。

2）對(duì)可變徑刮管器板簧結(jié)構(gòu)建立了三維有限元模型，分析發(fā)現(xiàn)板簧表面最大Mises應(yīng)力隨壓縮距離線性增大，且達(dá)到最大設(shè)計(jì)壓縮距離50 mm時(shí)，最大Mises應(yīng)力為1 183 MPa，小于其屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）對(duì)可變徑刮管器板簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓縮位移為50 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的支反力為1 250 N、數(shù)值模擬結(jié)果為1 210 N，理論分析計(jì)算結(jié)果1 133 N，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分別相差9.36%和3.20%。驗(yàn)證了計(jì)算分析的合理性。

通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，能夠顯著提高現(xiàn)場(chǎng)刮管洗井的工作效率，也為其他尺寸可變徑刮管器的設(shè)計(jì)提供參考。