基于Pro/E石油井口排污装置优化设计与仿真分析

李夺，万霖，李剑

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319；2.东北石油大学）

科学技术的快速发展，对石油等能源需求量不断增长，行业内逐步加大了石油勘探开发的力度，区域上由内陆逐步转向深海，技术上已经由深井向超深井迈进，这些变化将会成为日后行业的主流趋势。如深海洋井的开发，主要方式就是扩大油层泄油面积与提高钻井深度，即深井和超深井的开发。在实际钻采过程中，随着井深加深，井底重力、浮力、压力与之成线性关系剧增，使超临界流体侵入井筒造成井控难度增大；同时由于地层深部可钻性差，大量高密度钻井液的使用，很容易造成泥浆、岩屑等返渣随钻井液喷出井口，造成环境的严重污染[1-4]，这些都使开采工作愈发艰难，影响了勘探开发的综合效益。因此需对此现象进行总结研究，提出针对性的工艺技术。目前国内石油钻采设备涵盖内容广泛，设计种类繁多，是一套庞大的联合机组，伴随钻井方法、技术的发展而不断发生变化和完善。对钻采机械设备、钻井工艺也有着多方面的要求，比如要有足够的功率起升、钻井旋转钻井的能力及清除岩屑能力等，要求钻井设备的操作和维修工作简单易行，易损件便于更换[5]。该设计结合以上因素，设计井口排污装置，运用Pro/E优化/动态仿真设计，优化设计该装置的几何尺寸参数，并对导污过程进行动态仿真，为今后解决此类问题提供了理论依据。

1 建立井口排污装置二维模型

1.1 工作原理

在钻采过程中，根据地质情况选择不同的钻杆与配套对应的胶芯，安装时钻杆通过加压方式旋转挤压穿过胶垫及胶芯（这个过程中可加适量润滑油使钻杆较容易通过胶垫和胶芯）。穿过胶芯的钻杆接着与井下钻具连接。由于胶芯自身具有弹性（采用橡胶材质），紧抱钻杆带动中心管一起旋转，井底返渣及钻井液在下筒腔中受胶芯的旋转作用，从下筒侧法兰口喷出，流入到规定的管道中。

1.2 创建装置二维模型

装置在工作过程中，受到井底反冲压力、旋转惯性力及井底返渣与钻井液对装置的磨擦力等载荷[6-8]。基于这些受力特点与装置自身工作原理，在满足工作压力与工作强度的条件下，设计出装置的结构尺寸与几何尺寸，①外形尺寸（外径×高）￠530 mm×640 mm；②测通径156 mm；③主通径200 mm；④公称通径350 mm。运用CAD创建装置二维模型，如图1所示。

图1 井口排污装置二维图Fig.1 Two-dimensionalmap ofwellhead drainage device

2 优化胶芯几何尺寸参数

由于胶芯是此装置的“心脏”核心部件，在钻杆带动胶芯旋转排污工作的过程中，返渣与钻井液对胶芯的摩擦力很大，易磨损。因此，需要对胶芯进行优化设计，寻求出理想的几何尺寸，降低磨擦程度[9-12]，图2与图3分别为胶芯的二维与三维视图。

2.1 建立参数数学模型

（1）胶芯绕Y轴旋转，mx=0；mz=0；mv=c；

（2）胶芯的体积为最大，相应参数为：

式中：S为参数L，W的二元函数，见图2。

从而将目标要求转化为求函数关系的数学模型，因曲面计算较复杂，所以采用Pro/E更方便与快捷。

图2 胶芯二维视图Fig.2 Two-dimensional view of the rubber core

图3 胶芯三维视图Fig.2 The rubber core 3D view

2.2 数学模型转化为Pro/E参数

（1）在Pro/E的运行界面下，Insert an analysis feature（创建一个分析特征）；在Model Analysis（模型分析）下计算模型的Model Mass Properties（质量特征）[13-14]。

（2）通过Analysis下的Feasibility/Optimization建立模型的目标及约束条件；设计Goal为所选分析名称下的最大体积。

（3）将设计的零件按上述自动生成为所求出的理想解值，W=80mm，L=246.9mm。

当然，也可根据实际情况需要首先将L值取整，然后利用上述方法确定W值。

3 对模型动态仿真分析

对该装置工作过程进行运动仿真，进一步分析其运动是否合理、结构是否发生运动干涉等。将分析结果存放在模型中，使用回放、轨迹曲线等工具将分析结果表达出来，便于对装置进行直观分析，对设计结果进行优化。在考虑力、质量、惯量等外力作用的情况下，对装置添加所有外部载荷，建立仿真流程图，如图4所示。运用Mechanica实现装置的运动仿真。利用MPEG格式影片，将装置的装配与功能演示，形象立体地展现出来。

图4 建立运动仿真流程图Fig.4 The flow chartofmotion simulation

4 结论与讨论

（1）结合钻采工艺要求，设计了井口排污装置，运用CAD绘制了该装置二维图。

（2）运用Pro/E软件的优化设计功能，最终找出设计变数范围及限制条件内的最优结构尺寸。W=80mm，L=246.9mm，使胶芯具有较好的耐磨性与使用寿命。

（3）胶芯在一定转速范围内旋转时，与返渣间的接触压力成为显著影响磨损因素，因此对摩擦磨损特性敏感的速度、压力范围有待进一步研究。

（4）通过对模型的动态仿真分析，实现装置的装配，装配干涉检查等，该装置在满足工作要求条件下，能够将返渣引到规定的管道中。提高了设计的精准性，缩短了研发周期，减少了不必要的浪费。

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