新型防喷吊卡不压井修井作业过程仿真分析

常玉连，胡庆勇，张有锋，李明浩

（东北石油大学，黑龙江大庆163318）①

新型防喷吊卡不压井修井作业过程仿真分析

常玉连，胡庆勇，张有锋，李明浩

（东北石油大学，黑龙江大庆163318）①

为了提高不压井修井作业时油管内封堵的可靠性，针对低压油水井的作业需求，设计出新型的不压井防喷吊卡。该机构是将油管内封堵位置调整到井口，在油管接箍卸扣处进行动态密封。应用三维软件建立吊卡模型，导入流体仿真软件及运动仿真软件进行分析，获得了吊卡的力学和动力学数据。结果表明该机构安全、稳定。为现场使用提供了理论支持，为进一步改进防喷吊卡提供了参考依据。

不压井作业；管内密封；防喷吊卡

在石油与天然气开发生产的过程中，不压井修井作业是保持正常生产的重要措施，而起下油管是修井作业中频率较高的作业形式。现有的不压井作业方法是在起出油管过程中，油管内压力的封堵在油井底部或中部实现，可控性不好，若作业时封堵失效就会造成施工失败［1-2］。为了提高油管内封堵的可靠性，针对低压油水井的作业需求，设计出新型的不压井防喷吊卡。该吊卡在井口封堵油管内压力，在油管接箍卸扣处进行动态密封。为了研究该防喷吊卡的工作性能，应用Solidworks软件建立三维模型，导入流体分析软件FLUENT进行管内流体运动分析，最后利用动力学仿真软件ADAMS进行作业仿真分析。通过仿真试验，提出了现场使用新型防喷吊卡的意见。

1 结构和功能

防喷吊卡由密封压盖、密封筒、密封筒锁环和吊卡组成，如图1所示。其中：密封压盖与密封筒通过销轴扭簧铰接；密封筒和吊卡采用对开式设计；密封筒通过环形卡槽与吊卡连接，2部分可以相对转动；锁环用来控制密封筒的闭合与密封。

1.1 工作原理

先旋转密封筒部分，与吊卡部分对正，张开防喷吊卡，包住油管接箍后闭合。将锁环套入密封筒的右半部分，旋转锁环上的手柄，使锁环拉紧密封筒左右2部分，形成密封腔。为了防止大钩上方的钢丝绳相互缠绕，密封筒与吊卡通过环形卡槽可以相对转动；用液压钳对油管卸扣，当两油管接箍处分离、油管向上提出时，密封压盖在扭簧作用下弹起，向上压住油管并随油管运动；当油管脱离密封筒，密封压盖压在密封筒上形成密封腔，从而实现在卸扣过程中油管内部的封堵。

图1 防喷吊卡结构

1.2 作业流程

新型不压井防喷吊卡作业流程如图2所示：在井口部位吊环卡住防喷吊卡，提升油管至下一个油管接箍处；安装第2个不压井防喷吊卡，用液压钳卸扣；上方油管卸开扣提出时，防喷吊卡密封筒的密封压盖弹开，形成密封腔，封堵下方油管；将上方卸下油管落下，摘下防喷吊卡，进行下一次作业［3］。

图2 防喷吊卡工作流程

2 仿真分析

2.1 分析思路

运动机构主要由密封压盖、油管以及密封筒构成。在两油管卸扣并分开后，密封筒中高压液体推动油管由筒内向筒外运动，密封压盖在扭簧作用下贴住油管并伴随油管向上转动。当油管离开密封筒，密封盖在液体压力作用下加速转动，最终撞击密封筒而停止。

单根油管质量约92 kg，油管下端直径ø73 mm，当油压与单根油管重力平衡时，压力为0.215 MPa。分析入口压力0.2～10.0 MPa时，密封筒内部压力分布情况及零件运动情况。

对该运动过程的分析思路：首先分析密封腔内压力分布状况，继而用压力分布来求解零件运动情况，再由零件运动状况调整液体压力分布情况［4-5］，循环求解。

2.2 液体压力分析

在Solidworks软件中建立密封筒内部流体模型，如图3所示。导入Fluent软件中，代入设定的初始条件，分析求解。流体域设定为油管开始卸扣部位至油管脱离吊卡部位之间的空间。

图3 流体模型

密封腔内压力分布如图4所示。由图4可以看出：在入口压力10 MPa、出口流速10 m／s和入口压力1 MPa、出口流速为8 m／s 2种设定条件下，密封腔内液体压力分布没有明显变化，基本与入口压力相同。由动量守恒方程可知，同等条件下减小流体速度，压力增大。密封腔内液体压力分布在流速减小的情况下更加接近入口压力。由此可知，防喷吊卡和油管在卸扣过程中所受液体压力与入口压力相同。

图4 密封腔内压力分布

将压力条件代入ADAMS的简化模型（如图5）中，施加竖直向上的压力和扭簧作用力，推动油管和密封盖动作，仿真求解。

图5 ADAMS简化模型

2.2.1 液体压力为10 MPa时

由图6仿真曲线可知：当液体压力为10 MPa时，翻盖运动速度在0～0.015 s内缓慢增加，0.015 s后速度迅速增加，在0.023 3 s时刻，接触到密封筒，速度降为0，之后有振动发生；油管在0～0.02 s时加速向上运动，速度峰值6.26 m／s之后脱离防喷吊卡；0.3 s后趋于稳定，波动峰值超过稳定高度0.028 m，在翻盖接触密封筒时，密封筒翻盖与油管之间形成的空间约6 mm高，这部分液体将发生喷溅。

图6 液体压力10 MPa时仿真曲线

2.2.2 液体压力为5 MPa时

由图7仿真曲线可知：当液体压力为5 MPa时，翻盖运动速度在0～0.028 s内缓慢增加，0.034 s后速度迅速增加，在0.036 s时刻，接触到密封筒，速度降为0，之后有震动发生；油管在0～0.036 s时加速向上运动，速度峰值4.18 m／s，之后脱离防喷吊卡；0.2 s后趋于稳定，波动峰值超过稳定高度0.016 m，在翻盖接触密封筒时，密封筒翻盖与油管之间形成的空间约4 mm高，这部分液体将发生喷溅。

图7 液体压力5 MPa时仿真曲线

由仿真结果可知：密封筒内液体压力与油管离开密封筒时的速率成正比，压力越大油管脱离速度越大，振动越明显。结合仿真结果和现场试验，该防喷吊卡只适宜液体压力不大于5 MPa的低压油水井作业。

3 结论

1） 建立了防喷吊卡的三维模型，对关键部件进行受力分析，得到防喷吊卡的受力数据。通过液体压力分析和运动仿真分析，模拟防喷吊卡的工作状况，得到了不同工况下吊卡内部液体压力分布数据和动力学数据。分析结果显示：该防喷吊卡在油管内压力小于5 MPa的工作环境下运行稳定，为进一步改进新型防喷吊卡的结构提供了依据，并对现场使用提供了理论支持。

2） 该防喷吊卡结构简单，适应性好。作业时，工作位置处于井口上方，不用考虑井内管柱弯曲，异物等复杂情况，提高了工作效率。

［1］ 蔡彬，彭勇，闫文辉，等.不压井修井作业装备发展现状分析［J］.钻采工艺，2008，31（6）：106-109.

［2］ 韩勇，王毅.我国油管内密封工具的现状分析［J］.钻采工艺，2003，26（4）：56-57，66.

［3］ 常玉连，魏静，高胜，等.独立式不压井作业装备技术发展［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：12-16.

［4］ 于人杰，孙凌玉.流体驱动薄板旋转过程的流固耦合仿真及试验验证［C］／／第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会论文集，2011：388-396.

［5］ 宋学官.Ansys流固耦合分析与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

Simulation Analysis of New Snubbing Workover Plugging and Elevating Tool

CHANG Yu-lian，HU Qing-yong，ZHANG You-feng，LI Ming-hao
（Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

A design of new plugging elevator was put forward to meet the functional requirements of low pressure snubbing workover system.This tool can seal the tube at wellhead during the tubing breakout process.The results of stress analysis and dynamics simulation show the performance of this tool is safe and stable.The result provides theoretical support for field test and forward research.

snubbing workover；tubing sealing；plugging elevator

TE935

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.007

1001-3482（2014）07-0026-04

2014-01-11

黑龙江省科技攻关项目“新型修井作业机械化系统关键技术研究”（GC09A525）

常玉连（1951-），男，辽宁鞍山人，教授，博士生导师，主要从事机械系统仿真与控制技术研究，E-mail：cyl＠dqpi.edu.cn。