井下封隔器设计分析软件开发

鞠少栋，付　利，孔学云，洪秀玫，王俊姬

设计计算

井下封隔器设计分析软件开发

鞠少栋，付利，孔学云，洪秀玫，王俊姬

（中海油能源发展工程技术公司，天津300452）①

井下封隔器作为海上油气田开发的关键工具，其零件较多且设计校核过程繁琐。针对目前国产封隔器研制与应用的迫切要求，采用理论研究与ANSYS二次开发相结合的方法，以VB为研发平台，开发了一套封隔器结构设计与分析校核软件系统。通过模块化集成方法重点解决封隔器胶筒、卡瓦及封隔器管柱的设计及强度分析问题，提高封隔器结构设计的效率和准确性，从而显著缩短井下封隔器的研制和改进周期。

封隔器；设计；软件

封隔器是海上油气田完井和开采必不可少的井下工具，主要起到密封油、套环形空间及隔离上下油（气、水）层的作用，从而实现油、水井的分层采油、分层注水、分层改造和封堵水层［1-4］。封隔器零部件较多且设计校核过程繁琐，易出错，传统设计方法效率低下，而国内目前还没有封隔器系统专用设计分析软件。

在进行封隔器关键部件研究的基础上，利用理论研究和ANSYS有限元软件二次开发相结合的方法，开发封隔器设计分析软件系统。该软件以VB为研发平台，重点解决封隔器核心件结构设计、胶筒大变形接触分析、卡瓦咬入套管弹塑性分析和封隔器管柱受力变形分析等关键问题，提高封隔器结构的改进优化效率，为我国海上油气田用封隔器研制提供技术支持。

1　软件开发理论基础

1.1胶筒设计

通过对密封元件进行力学分析计算，可计算合理的设计参数，包括：密封元件外表面与套管内壁之间的最大许用间隙、密封元件的最小高度，从而确定胶筒的设计间隙和高度。

胶筒外表面与套管内壁之间的设计间隙为［5］

式中：［ε］为胶筒许用轴向变形，%，可用试验方法求得，其大小取决于材质和工作条件，［ε］应小于0．3，一般取0．25；DC为套管内径，m；D0为胶筒内径（中心管外径），m；n1为安全系数。

胶筒的设计高度为［6］

式中：Δp为工作压差，Pa；［τ］为胶筒抗剪强度，Pa；p0为沿径向作用于胶筒上分布力的强度，Pa；μ为胶筒泊松比；f为胶筒摩擦因数；DC为套管内径，m；D1为胶筒外径，m，D1=DC-2u；D0为胶筒内径，m；n2为安全系数。

1.2卡瓦设计

根据卡瓦牙对套管的正向挤压力大于等于套管的抗挤压强度，得出卡瓦牙咬入深度与坐封力、卡瓦牙结构尺寸之间的关系式为［7］

式中：F为轴向推力，N；［σp］为套管挤毁强度，Pa；D为卡瓦外圆弧直径，m；为卡瓦外圆弧面的圆心角，（°）；m为卡瓦片数；n为每片卡瓦的牙数；θ为锥体的锥角，（°）；φ为锥体与卡瓦之间的摩擦角，（°）；β1、β2分别为卡瓦牙型角对应的齿前角和齿后角，（°）。

卡瓦长度计算公式为［8-9］

式中：Q为卡瓦悬挂载荷，N；A为套管横截面面积，m2；σs为套管屈服强度，Pa；K为横向载荷系数，K=1／tan（θ+φ）；R为管柱套管最大外半径，m。

1.3管柱设计

活塞效应引起的管柱长度变化为［10］

式中：L为管柱长度，m；E为管柱材料的弹性模量，Pa；As为管柱的横截面面积，m2，As=π（D20-D2i）／4；Δpi、Δp0分别为管柱内、外压力的变化，Pa。

螺旋弯曲效应引起的管柱纵向缩短为

式中：r为油管和套管之间的径向间隙，m；I为管柱横截面积对其直径的惯性矩，m4；F2为压缩力，N；W为单位长度的管柱重力，kg／m；g为重力加速度。

管柱由于鼓胀效应引起的长度变化为

式中：μ为管柱材料泊松比；R为管柱外径与内径的比值；Δρi为管柱中流体密度的变化，kg／m3；Δρ0为环形空间流体密度的变化，kg／m3；δ为流动引起的单位长度上的压力降，Pa／m。

管柱平均温度变化引起的长度变化为

式中：β为管柱材料的热膨胀系数，℃-1；ΔT为管柱平均温度变化，℃。

2　软件系统模块组成与功能

软件系统包括卡瓦设计校核模块、胶筒设计校核模块和胶筒设计校核模块，各个模块采用VB语言实现，模块之间相互独立，确保每个模块的有效封装。软件基础界面如图1。

卡瓦设计校核模块可实现封隔器卡瓦结构的尺寸设计和强度分析，分设计和ANSYS二次开发校核2个子模块。设计子模块可计算出卡瓦咬入深度、卡瓦长度、锥体行程和卡瓦可承受最大悬挂载荷等设计参数；校核子模块可求出卡瓦咬入深度、等效应力、接触压力等强度校核指标。

胶筒设计校核模块可实现封隔器胶筒结构的尺寸设计和密封性能分析，设计子模块可计算出胶筒外径、高度、轴向压缩率、坐封力、弹性模量、材料系数和接触压力，ANSYS二次开发校核子模块可求出胶筒位移、等效应力和接触压力，从而实现胶筒的结构设计和强度校核。

封隔器管柱设计校核模块可求出管柱作业过程中的分别在活塞效应、螺旋弯曲效应、鼓胀效应和温度效应下的作用力和管柱长度变化，并校核管柱最大应力，基于此可进行不同井下工况条件对应的封隔器管柱设计校核。

图1　软件基础界面

3　软件应用实例分析

3.1卡瓦设计校核

表1　封隔器卡瓦结构尺寸设计基础数据

利用卡瓦设计子模块求得卡瓦牙咬入深度为0.05 mm，卡瓦长度为60 mm，卡瓦可承受最大悬挂力为183 kN，锥体行程为13.24 mm。胶筒结构尺寸设计界面如图2所示。

卡瓦校核子模块分析工作阶段胶筒接触压力和等效应力分布如图3所示，可以看出：卡瓦牙咬入处的套管内壁发生屈服破坏，卡瓦牙处接触压力和等效应力值最大，同时近锥体侧的卡瓦接触压力和等效应力明显大于卡瓦中间部分。

图2　卡瓦结构设计界面

图3　卡瓦接触压力和等效应力分布云图

3.2胶筒设计校核

表2　封隔器胶筒结构尺寸设计基础数据

利用胶筒设计子模块求得套管内壁与胶筒外表面最大间隙为6.3 mm，胶筒最小高度为91.7 mm。考虑一定的安全余量，取间隙3.8 mm、胶筒高度130 mm，确定胶筒外径为111 mm，封隔器最大外径为112 mm，从而求得胶筒自由变形阶段的坐封行程为32.4 mm，67 MPa压差下接触变形阶段的行程可达20 mm（泊松比0.5时，此行程为0 mm），即胶筒的总行程为53 mm；保守计算胶筒坐封力为103 k N。胶筒结构尺寸设计界面如图4所示。

图4　胶筒结构设计界面

图5　胶筒接触压力和等效应力分布云图

胶筒校核子模块分析工作阶段胶筒接触压力和等效应力分布如图5所示，可以看出：胶筒与套管之间最大接触压力为67.9MPa，大于压裂压差67 MPa，满足密封要求；胶筒最大等效应力32 MPa，已超过胶筒材料的屈服强度。因此，胶筒两侧需要增加防突结构来减小胶筒最大等效应力，以满足胶筒强度要求。

4　结论

1）针对国内目前缺乏封隔器专用设计分析软件的现状，开发了一套封隔器结构设计与强度分析软件，主要包括胶筒设计分析模块、卡瓦设计分析模块和管柱设计分析模块，可实现封隔器关键部件的结构设计与强度校核。

2）软件重点解决了封隔器核心件结构设计、胶筒大变形接触分析、卡瓦咬入套管弹塑性分析和封隔器管柱受力变形分析等关键问题，可显著提高封隔器结构的改进优化效率。

3）实例分析表明，软件设计的封隔器关键部件结构尺寸满足强度及作业性能要求，软件可为海上油气田用封隔器的研制提供技术支持。

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Development of Design and Analysis Software for Down Hole Packers

JU Shaodong，FU Li，KONG Xueyun，HONG Xiumei，WANG Junji
（CNOOC Ener Tech Drilling&Production Company，Tianjin 300452，China）

The down hole packer is the key tool used in offshore oil and gas field，which has many components that may result in design errors caused by complex design and checking process. Based on the requirement of fast research and application for domestic packers，the packer structure design and analysis checking software was developed by integrating the methods of theoretical research and ANSYS redevelopment.The modular design software has solved design and strength analysis problems of the packer rubber，the slip and the packer string，which can improve packer structure design efficiency and accuracy and reduce research and modification period of down hole packers.

packer；design；software

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.009

1001-3482（2015）10-0038-04

①2015-04-08

国家科技重大专项子课题“完井防砂工具系列化及现场应用”（2011ZX05057-002-004）；海油发展技术开发项目“钻完井工具辅助设计系统开发”（HFKJ-GJ2014005）；海油发展英才计划课题“井下封隔器设计分析模块开发”。

鞠少栋（1984-），男，山东潍坊人，工程师，博士，主要从事海洋石油钻完井工艺技术及配套工具研究，E-mail：jushd2＠cnooc.com.cn。