水平井分段压裂管柱中K344封隔器锚定力分析及计算

水平井分段压裂管柱中K344封隔器锚定力分析及计算代理震;徐冠军【摘要】通过数值模拟结合数学计算的方法，进行水平井分段压裂管柱中K344封隔器的锚定力分析计算.给出K344封隔器在井下工作时的锚定力计算公式，建立了扩张式胶筒的力学分析模型，利用有限元软件Abaqus完成数值仿真计算.现场井实例分析计算和验证表明，该方法达到了优化管柱设计的目的.【期刊名称】《江汉石油职工大学学报》【年(卷)，期】2016(029)003【总页数】4页(P21-24)【关键词】水平井分段压裂;K344封隔器;锚定力;数值仿真【作者】代理震;徐冠军【作者单位】中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北武汉430035;中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院,湖北武汉430035【正文语种】中文【中图分类】F355随着材料科学及设计制造方法的不断创新，新型扩张式封隔器分隔密封性能得到极大提高。同时，因其密封元件与弹性钢骨架硫化为一体，工作时还可以给管柱提供较大的锚定力，有利于保护管柱和提高施工的成功率。本文尝试通过数值模拟结合数学计算的方法，进行水平井分段压裂管柱中K344封隔器的锚定力分析计算，为管柱优化设计提供参考。K344型封隔器在井下的密封和锚定功能均通过胶筒组件来实现。应用于水平井分段压裂管柱中K344封隔器（图1），其胶筒组件由上、下外露钢带及中部胶筒组成。K344封隔器起锚定作用的主要有两个部分：其一，伸出胶筒两端的钢带受轴向挤压径向凸起与套管接触，与套管间形成摩擦阻力，这是金属与金属的摩擦，摩擦系数M0=0.1;其二，胶筒在内部液压作用下扩张后与套管内壁之间的接触压力产生的摩擦力，这是橡胶与金属的摩擦，摩擦系数M1=0.01oK344封隔器的锚定力即为上述两种摩擦力之和，由下式计算：Ff=F0+F1=p0P0A0+M1P1A1式中：Ff-胶筒组件与套管的总接触摩擦力，即胶筒组件的总锚定力，N;F0-钢带与套管的接触摩擦力，即钢带部分的锚定力，N;F1-胶筒与套管的接触摩擦力，即胶筒部分的锚定力，N;M0-钢带与套管壁之间的摩擦系数，无量纲；P0-钢带与套管之间的接触应力，MPa;A0-钢带与套管的有效接触面积，mm2;M1-钢带与套管的摩擦系数，无量纲；P1-夕卜胶筒与套管之间的接触应力，MPa;A1-胶筒胀封后与套管的有效接触面积，mm2。钢带与套管之间的接触摩擦力F0可以直接采用公式计算。将钢带与套管壁的接触应力视为与胶筒内压力相同。K344-114封隔器胶筒的长度为558mm，两端钢带的长度为141mm，套管内径121.7mm，由此计算出钢带部分的锚定力F0值俵1）。胶筒与套管壁的接触摩擦力F1的计算则较为复杂，需采用数值分析方法计算。当胶筒内部受到液压力的作用发生膨胀时，两端凸起的钢带就相当于护套的作用，使胶筒只产生径向变形，因此，在只受内压的情况下，可以简化胶筒的力学模型（图）。利用有限元软件Abaqus对图2所示力学模型进行数值仿真，中心管、套管和护套采用CAX4R单元进行网格划分，胶筒采用CAX4RH单元划分，划分网格（图）；胶筒材料为氢化丁腈橡胶，胶筒直径D0=114mm，长度为558mm，其材料常数C10=1.87MPa,C01=0.47MPa;套管材料为42CrMo，内径D1=121.7mm，外径D2=139.7mm，泊松比M=0.3;胶筒与套管的摩擦系数设置为0.3；其中封隔器的护套与中心管设置为固定约束，护套与胶筒的顶部和底部设置为固定约束，建立约束以及边界条件（图4）。对中心管和胶筒间逐级施加压力30MPa-80MPa,每隔5MPa取一个值进行仿真计算。图5是内部压力为35、50、80MPa的接触应力云图。从图中可以看出，在管柱锚定过程中，除中心管与护套结合处外，应力都很小，而套管由于与胶筒接触，接触应力很大。模拟得出接触应力数据（图6）。在胶筒内压为35,50,80MPa时，最大接触压力分别为33.3,48.7,79.8MPa。计算出外胶筒与套管壁之间的锚定力（表2），根据表2做出内压力与接触应力曲线关系（图7）。从图中可以看出，当胶筒内压大于80MPa时，接触应力和内压非常接近。根据表1和表2,计算出K344封隔器在处于工作状态下的总锚定力（表3）。下面以黄7平1井进行分段压裂施工的实例进行分析。措施段长206m,为确保对各层进行针对性改造，采用K344封隔器配套管柱分三段压裂施工（图8）。利用GOHFER软件进行压裂模拟，排量为3m3/min，预测施工压力为36-45MPa,最高压力60MPa。分别对管柱中第一级（最下级）和第二级K344封隔器进行受力分析。3.1第一级封隔器受力分析在压裂过程中，由于封隔器上部管柱受到虎克效应和活塞效应的作用，使得第一级封隔器受到的轴向力为：式中：F1-封隔器上部管柱受虎克效应和活塞效应对封隔器产生的轴向力，N；d2-套管内径，mm；d-油管内径，mm；P-封隔器所受最大压差，MPa；K-浮力系数，取清水中浮力系数0.87；q-管柱的平均重量，kg/m；L-封隔器卡点深度，m。代入d2=121.7mm，d=62mm，q=12.97kg/m，P=60MPa，L=2538m，计算得出：由于管柱内压力对封隔器上部管柱产生鼓胀效应，油管缩短，使得封隔器受到的轴向力为：式中：F2-封隔器上部管柱受鼓胀效应对封隔器产生的轴向力，N；p2-连接管材料泊松比，取0.3。代入"=0.3,d=62mm,P=60MPa，计算得出：同时，由于注入介质温度小于地温，使井筒温度降低，因此整个管柱由于温度效应而发生缩短变形，上部管柱由此所受轴向力为：式中：F3-封隔器上部管柱受温度效应产生的负荷，N；B-连接管材料热膨胀系数，取1.2x10-5/^；△T-温度变化，取301；E-连接管材料弹性模量，2.06x105MPa；油管外径，73mm。代入相应数据，计算得出：第一级封隔器在压裂过程中受到的轴向力之和为：F=F1+F2+F3=-496.757kN由表3可知，当K344封隔器承受压差为60MPa时，其锚定力为734.39kN，这个值远大于F，所以第一级K344封隔器无需配接水力锚，其自身提供的锚定力就可以满足施工要求。3.2第二级封隔器受力分析在压裂第二段的过程中，两级封隔器之间距离较短，可以忽略鼓胀效应以及温度效应的影响。由于封隔器上部管柱受到活塞效应作用，使得第二级封隔器受到的轴向力为：同样的，第二级封隔器在压差为60MPa时可提供的锚定力734.39kN远大于F1，所以第二级K344封隔器无需配接水力锚，其自身提供的锚定力就可以满足施工要求。上述计算分析表明，图8所示的管柱配置合理，封隔器的锚定力均大于封隔器受到的轴向力，从而可以确保管柱的施工安全。该井在施工过程中封隔器一次性坐封成功，排量在3.0~3.1m3/min之间，对应施工泵压在48~60MPa之间，总加砂量41.5m3，三段的破裂压力分别为72,71,50MPa。整个施工过程顺利完成，表明封隔器很好地起到了密封和锚定作用。1）在水平井分段压裂中K344封隔器具有较大的锚定力，能够实现管柱锚定，确保压裂管柱安全。2）通过数值模拟结合数学计算的方法，进行水平井分段压裂管柱中K344封隔器的锚定力分析计算有一定的实用性，可以作为水平井分段压裂管柱设计的一种简便方法。3）本方法简化了封隔器胶筒结构的力学模型，且忽略了井下流体、套管状况、井眼轨迹等复杂情况，分析结果可能不够精确。将通过建立物模装置进行实验研究，进一步探索完善。