永久式封隔器卡瓦断裂模拟分析

蔡萌，张倩，李朦，王鹏，刘照义

(中石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙江 大庆 163453)(东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江 大庆 163318)

永久式封隔器主要用于油气井压裂、完井、酸化、试油等井下作业中，封隔器卡瓦是其中一个重要部件，它主要起到锚定套管、支撑封隔器、锁定胶筒的作用[1～4]。国外永久式封隔器主要包括：贝克休斯公司的SAB-3型、斯伦贝谢公司的QLH型、哈里伯顿公司的Perma-series型、Smith公司的ES型、威德福公司的UltraPak TH型等。国内在永久式封隔器方面研究进展较快，耐温承压指标基本满足国内常规油气井需求。但是在高温、高压深层油气井方面，封隔器材质及结构还有诸多方面需要攻关[5～8]。永久式封隔器卡瓦结构设计对封隔器承压性能有较大影响，有必要开展封隔器卡瓦断裂数值模拟分析，为卡瓦结构优化、减小套管损伤、现场施工提供理论指导。

1 永久式封隔器结构

永久式封隔器结构主要是由上接头、密封段、工作筒、中心管、上卡瓦、胶筒、下卡瓦、锁环、外套、下接头等组成，如图1所示。

图1 永久式封隔器结构

2 永久式封隔器卡瓦室内试验

2.1 试验内容

2.1.1 坐封试验

将永久式封隔器按图2组装，然后沿水平方向缓慢送入套管短接内，将封隔器胶筒及卡瓦部分全部推入套管[9,10]。随后将堵塞器锁芯及配套工作筒、变扣与永久式封隔器下接头连接，再将密封段与打压头连接。

图2 永久式封隔器坐封试验装置

表1 坐封试验数据表

注：封隔器上、下卡瓦破碎时压力分别为20、30MPa。

采用室内高压泵从打压头打压至1MPa，稳压情况良好，无渗漏现象，继续打压至10MPa，稳压5min压力无明显下降。继续打压至15MPa，稳压5min压力无明显下降。继续打压至20MPa，压力瞬间降至17MPa， 后缓慢上升，稳压5min，压力降至19.9MPa。继续打压至25MPa，稳压5min，压力降至24.8MPa，最高打压至30MPa，压力瞬间降至25MPa，后缓慢上升，稳压5min，压力降至29.8MPa。通过观察打压过程中封隔器压力、声音变化，判断两组封隔器卡瓦断裂，封隔器已坐封。封隔器坐封后，泄压再打压至30MPa，反复2次均稳压5min，压力无明显下降，记录试验数据如表1所示。

2.1.2 锚定试验

将动力工具夹持在台钳上，并与套管短接连接，动力工具拉杆通过变扣及配长工具与插入密封段连接，如图3所示。将动力工具与打压管线连接，依次打压5、10、12MPa，并分别稳压5min，永久式封隔器与套管相对无位移，计算相应的锚定力，其值分别为14.5、29.0、34.8kN。

图3 永久式封隔器锚定试验装置

2.2 试验结果

坐封试验中，永久式封隔器锥体动作灵活，封隔器上、下卡瓦破碎时压力分别为20、30MPa，稳压过程中，压力无明显下降，泄压后观察卡瓦破裂为3瓣，如图4所示，断裂部位均为设计断裂部位，试验结果满足设计要求。锚定试验中，动力工具最高打压12MPa(当量拉力为34.8kN)，永久式封隔器与套管相对无位移，锚定情况满足现场试验要求。

图4 永久式封隔器卡瓦室内断裂试验结果

3 永久式封隔器上卡瓦断裂模拟分析

封隔器上、下卡瓦结构类似，以上卡瓦为例进行断裂模拟分析，如图5所示。

3.1 永久式封隔器上卡瓦简化分析模型

根据永久式封隔器卡瓦的工作原理，中心管、锁环和活塞对卡瓦断裂过程的影响较小。因此，在计算模型中忽略上述部件[11,12]，得到上卡瓦受力简化模型(见图6)。

图5 封隔器上卡瓦模型 图6 上卡瓦受力简化模型

图7 上卡瓦结构网格划分模型

3.2 有限元网格划分

对永久式封隔器卡瓦有限元计算模型进行分析，接触包括锥体与卡瓦，卡瓦与套管，接触采用面-面接触单元。对模型进行网格划分，锥体和套管采用六面体网格，网格尺寸设置为4mm，因为卡瓦结构较为复杂，卡瓦采用四面体网格进行划分，网格尺寸设置为2mm，网格划分结果如图7所示。

3.3 边界条件及参数设置

根据永久式封隔器卡瓦在井下的工况条件，对其计算模型的边界条件进行处理：①卡瓦底面固定约束，同时在锥体上表面施加轴向面载荷；②套管在水泥固井条件下保持固定不动，因此对套管施加固定约束；③设置迭代计算的时间步长为0.05s。卡瓦单元失效控制参数如表2所示。

在材料子程序中，通过关键字*MAT_ADD_EROSION制定单元失效。在材料子程序运行结束后，LS-DYNA3D根据关键字定义的破坏准则来判断单元是否失效，如果失效，则在有限元计算模型中删除单元，当一个节点所有关联的单元全部失效后，该节点在有限元计算模型中被删除。

表2 卡瓦单元失效控制参数

3.4 模拟结果分析

整体永久式封隔器卡瓦是开槽夹角为120°的轴对称结构，其内外侧分别设有单侧开槽以起到补充断裂不充分的作用。施加轴向载荷，永久式封隔器卡瓦接触面承受主要压力，在合外力作用下内部网格单元发生变形，产生位移和应力，并传递至卡瓦牙齿，在外侧套管作用下进行固定坐封。

当上锥体对永久式封隔器卡瓦施加载荷达到17MPa时，永久式封隔器卡瓦单元上的最大等效应力达到586MPa，超过抗拉强度450MPa，达到初次破裂，第1裂纹萌生,如图8(a)所示。初次断裂(第1裂纹扩展)后，由于卡瓦未完成锚定，永久式封隔器卡瓦等效应力瞬间降为407MPa，轴向位移在外载荷作用下呈波动性增大，如图8(b)所示。

图8 初次加载17MPa时上卡瓦等效应力图

当上锥体对永久式封隔器卡瓦施加载荷达到19.5MPa时，当永久式封隔器卡瓦初次破碎后，在上锥体外载荷作用下受到挤压使其外部卡瓦牙嵌入套管内壁的卡槽内。此时永久式封隔器卡瓦发生断裂所受的主要作用是弯曲应力如图9(a)所示。当卡瓦内部单元应力达到594MPa，超过抗拉强度450MPa，卡瓦发生二次破裂，永久式封隔器卡瓦等效应力瞬间降为460MPa,如图9(b)所示。

当上锥体对永久式封隔器卡瓦施加载荷达到23MPa时，由于套管内壁的锚定作用， 此时卡瓦受力持续增大，在很短时间内，应力又达到592MPa，超过抗拉强度450MPa，第3个开槽处发生断裂，达到完全锚定的效果，如图10所示。

图9 二次加载19.5MPa时上卡瓦等效应力图

图10 三次加载23MPa时上卡瓦完全断裂后等效应力图

永久式封隔器卡瓦完全破裂后，卡瓦上的应力仍保持较高值，说明卡瓦牙已充分压入套管内壁，起到永久固定的作用，较好地模拟了完井管柱核心部件永久式封隔器卡瓦的断裂锚定坐封过程。

4 结论

1)采用LS-DYNA对永久式封隔器上卡瓦的断裂过程进行了有限元分析，得到永久式封隔器上卡瓦断裂临界点，模拟给出了卡瓦断裂裂纹形态。

2)借助室内试验手段，对永久式封隔器卡瓦进行了不同参数下的断裂试验，通过试验获得了永久式封隔器上卡瓦破裂的范围。

3)数值模拟卡瓦断裂锚定过程与室内试验得出结果基本符合，该数值模拟方法可以用于类似卡瓦断裂分析，弥补了试验过程中不同外力作用下操作次数繁复和检测不连续等缺点，通过试验与数值计算相互验证可以实现永久式封隔器卡瓦锚定过程的全面研究，模拟结果具有较好的工程指导意义。