連續(xù)油管注入頭V形夾持塊的角度優(yōu)化

陳迎春，張仕民，趙麗爽，王文明，楊德福，串俊剛

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2.河北石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊065000；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002）①

連續(xù)油管技術(shù)已經(jīng)廣泛使用于油氣開發(fā)作業(yè)的各個(gè)方面，而連續(xù)油管注入頭作為連續(xù)油管裝備的核心部件，其性能將會(huì)直接決定連續(xù)油管作業(yè)的成功與否［1－2］。連續(xù)油管注入頭上部的V形夾持塊對(duì)于連續(xù)油管作業(yè)起著至關(guān)重要的作用，合理的夾持塊可以提供足夠的連續(xù)油管注入力或上提力并且不破壞連續(xù)油管。文中主要通過(guò)數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)學(xué)優(yōu)化相結(jié)合，對(duì)注入頭V形角的最優(yōu)角進(jìn)行了研究。

1 總體結(jié)構(gòu)

注入頭主要由外部機(jī)架、內(nèi)部夾持注入系統(tǒng)和底部支撐測(cè)試部分組成，由于實(shí)際注入頭的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［3］，為了便于分析，將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，如圖1所示。在進(jìn)行連續(xù)油管下入作業(yè)時(shí)，首先打開液壓張緊裝置，使張緊活塞在液壓油的作用下完成對(duì)動(dòng)力鏈條的張緊作業(yè)；然后打開液壓夾緊裝置，使夾緊活塞收縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)油管的夾緊作業(yè)；最后打開液壓馬達(dá)，使主動(dòng)鏈輪軸在液壓馬達(dá)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)動(dòng)力鏈條進(jìn)行連續(xù)油管的下入作業(yè)。上提連續(xù)油管的操作過(guò)程基本與下入過(guò)程相同，主要區(qū)別是夾持塊帶動(dòng)連續(xù)油管向上運(yùn)動(dòng)，即夾持塊與連續(xù)油管之間的摩擦力方向不同。

其中，夾持塊與動(dòng)力鏈條的配合方式如圖2所示。將長(zhǎng)銷軸穿過(guò)夾持塊與動(dòng)力鏈條，使之連為一體；銷軸上裝有擋圈以固定夾持塊的位置；注入頭工作過(guò)程中，夾持塊與連續(xù)油管之間是靜摩擦，夾持塊會(huì)隨著連續(xù)油管一起運(yùn)動(dòng)。

2 不同V形角下連續(xù)油管受力研究

由注入頭對(duì)連續(xù)油管的夾持機(jī)理可知，影響連續(xù)油管的夾持效果的因素主要是夾持塊的形狀。選取其中任意一塊夾持塊進(jìn)行分析，夾持塊與連續(xù)油管之間的夾持力學(xué)模型如圖3所示。

圖3中：σy為液壓夾緊活塞桿收縮時(shí)作用在V形塊外壁上的接觸應(yīng)力，Pa；N為在σy的作用下，夾持塊對(duì)連續(xù)油管外管管壁的壓力，N。Ff為夾持塊與連續(xù)油管外壁之間的摩擦力，N；F為連續(xù)油管所受的軸向力，N；S為夾持塊受壓部分的面積，S＝0.051m2；θ為 V 形夾持塊的 V 形角度，（°）。

由文獻(xiàn)［4］，連續(xù)油管在下入時(shí)受力為：

式中：D為連續(xù)油管外徑，取38.1mm；d為連續(xù)油管內(nèi)徑，取32.9mm；L為連續(xù)油管下入深度，m；ρg為連續(xù)油管密度，7 850kg／m3；ρy為井液密度；g 為重力加速度；p為油井壓力，MPa。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，以該注入頭進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)為例進(jìn)行分析，則：ρy＝0，p＝0。即在不考慮摩擦的前提下，該注入頭需克服的最大軸向力為：

由于，

因此，當(dāng)取下入深度為200m，則F＝4 460N，可以由式（4）求解不同θ時(shí)夾持塊的接觸應(yīng)力σy。

2.1 數(shù)值模擬

采用Abaqus進(jìn)行注入頭V形夾持塊與連續(xù)油管之間的受力分析。設(shè)置V形夾持塊與連續(xù)油管之間的相對(duì)位置，并根據(jù)夾持塊工作時(shí)的實(shí)際情況，將夾持塊的y、z線自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都固定，只保留x方向的線自由度，使夾持塊可以完成對(duì)連續(xù)油管的壓緊作業(yè)，如圖4a所示。在夾持塊兩端面上施加接觸應(yīng)力σy，從而使夾持塊在σy的作用下沿z方向運(yùn)動(dòng)，最終壓緊連續(xù)油管，同時(shí)，由于σy值較大，因此忽略注入頭與連續(xù)油管的重力，如圖4b所示；最后對(duì)模型劃分網(wǎng)格后進(jìn)行計(jì)算，如圖4c所示；由于該模型的是對(duì)稱的，因此取連續(xù)油管中間圓作為參考圓，以分析其被壓緊時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變，如圖4d所示。

不同V形角度時(shí)，連續(xù)油管所受的最大應(yīng)力如表1所示。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

由于實(shí)際工況可能比理論模型更加復(fù)雜，因此搭建了如圖5所示的試驗(yàn)臺(tái)以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是否正確。該試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓回路、施壓模塊、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)組成。控制柜與計(jì)算機(jī)連接，可以控制液壓系統(tǒng)的啟停，還可以傳遞試驗(yàn)數(shù)據(jù)；在液壓回路的作用下，施壓板向下運(yùn)動(dòng)壓緊試驗(yàn)件，通過(guò)調(diào)整液壓回路可以改變對(duì)試驗(yàn)件的壓力；位移傳感器用于檢測(cè)施壓板的下移位移；應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量管柱的變形和受力。

分析可知，由于具體進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)很難避免有其它作用力的存在，導(dǎo)致受力會(huì)和理想狀態(tài)不一樣，但是數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此可以認(rèn)為模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的V形塊角度優(yōu)選

由于模擬的結(jié)果是離散的，因此采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將其連續(xù)化，以確定最優(yōu)角。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，它可以分為輸入層、隱藏層和輸出層，其中隱藏層根據(jù)具體情況的需要，可以是一層結(jié)構(gòu)，也可為多層結(jié)構(gòu)［5］。

將V形塊的角度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)等為1，將連續(xù)油管的最大應(yīng)力作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1。隱含層數(shù)越多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度就越慢，根據(jù)Kosmogorov定理，在合理的結(jié)構(gòu)和恰當(dāng)?shù)臋?quán)值條件下，2層BP網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意的連續(xù)函數(shù)，因此，選取結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的2層BP網(wǎng)絡(luò)。一般情況下，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)收斂性能的好壞來(lái)確定的，由已有的經(jīng)驗(yàn)公式：s＝sqr（0.43nm＋0.12m ＋2.54n＋0.77m＋0.35＋0.51）。其中n為輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，m為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，根據(jù)以上公式，可以得出隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為5。建立一個(gè)前向BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)net＝newff（x，y，［5，1］，｛’tansig’’purelin’｝，’traincgb’）；［5，1］為該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層結(jié)構(gòu)。｛’tansig’’purelin’｝為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各層的轉(zhuǎn)移函數(shù)，前者為sigmoid函數(shù)，后者為線性傳遞函數(shù)。訓(xùn)練函數(shù)采用traincgb，即采用Powel1－Beale共軛梯度法訓(xùn)練。由于上文已經(jīng)計(jì)算了9組在不同角度V塊下的連續(xù)油管受力情況，因此將其作為訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練樣本集合如下：x＝［58 59 59.5 60 60.5 61 62 64 70］；與訓(xùn)練樣本集合相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值集合如下：y＝［20.73 20.52 20.39 20.31 20.36 20.41 20.61 21.94 23.19］。本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差性能目標(biāo)值設(shè)置為0.1，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到最大值1 000或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差平方降到0.1以下，終止訓(xùn)練。結(jié)果如圖7所示。

由此可知，連續(xù)油管V形夾持塊的最優(yōu)角度為60°，此時(shí)連續(xù)油管的最大應(yīng)力為σ＝20.4MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

為優(yōu)化連續(xù)油管注入頭的V形夾持塊的角度，本文通過(guò)數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，求得了V形夾持塊的最優(yōu)角度為60°。但是，軟件模擬的結(jié)果有一定的隨機(jī)性，且實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)有很多其他干擾因素，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以驗(yàn)證最終結(jié)果。上述研究將為國(guó)內(nèi)連續(xù)油管制造技術(shù)提供重要理論依據(jù)。

［1］瞿丹，黎偉.連續(xù)管注入頭現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械.2012，41（1）：46－50.

［2］施志輝，劉航，張梁，等.連續(xù)管在注入頭多種夾持方式下的受力分析［J］.石油機(jī)械，2011，39（12）：32－34.

［3］REN Run，LIU Bao－di.The Cut Angle Analysis of Coiled Tubing Machines Injection Head［J］.Manufacturing Informatization.2012（6）：88－89.

［4］Zhu Xiaoping，Gao Jinian，Zha Tongjun.Structural Design of Coiled Tubing Injector and Its Load Analysis［J］.DPT 22（4），199：38－43.

［5］劉君堯，邱嵐.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近［J］.福建電腦，2009（8）：87－88.