可降解橋塞中心管力學(xué)性能分析

平恩順，牛建兵，楊秋梅，曾 毅，單茂青，李 博，劉澤宇，辛雙港，馮國君，劉恩波，田 杰

（1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油廠地質(zhì)研究所，天津 300283）

頁巖氣作為一種清潔能源，越來越受到能源行業(yè)的青睞。但是頁巖氣儲層的自然產(chǎn)能非常低，通常采用水平井分段壓裂技術(shù)對頁巖氣儲層[1]進(jìn)行改造，以獲得較高的產(chǎn)能。由于水平井泵送橋塞分段壓裂技術(shù)[2，3]從套管內(nèi)注入攜砂液摩阻小，可以采用大排量和大液量施工，分段壓裂級數(shù)不受限制，與其他水平井分段壓裂技術(shù)相比，泵送橋塞分段壓裂技術(shù)壓裂后形成的網(wǎng)狀裂縫更加復(fù)雜，有效改造體積更大，增產(chǎn)效果更好，因此泵送橋塞水平井分段壓裂技術(shù)是目前頁巖氣開發(fā)的主體技術(shù)[4-6]。本文設(shè)計(jì)了一種由可降解粉體材料加工而成的新型可降解橋塞中心管，對可降解橋塞中心管承壓進(jìn)行理論計(jì)算，并對橋塞中心管進(jìn)行坐封過程和壓裂過程的有限元分析，為我國提升泵送橋塞分段壓裂技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 橋塞中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋塞中心管的結(jié)構(gòu)（見圖1）：①處為卡槽在下井過程中與坐封工具連接部分，由于材料強(qiáng)度的不穩(wěn)定性未使用螺紋連接；②處為中心管上兩個圓環(huán)槽，目的是為了確保襯套與中心管之間的密封性；③處為螺紋與導(dǎo)向密封頭連接，強(qiáng)度要求較弱所以采用螺紋連接而且方便橋塞拆裝。

中心管設(shè)計(jì)尺寸：軸向總長度646.0 mm，主體外徑57.0 mm，內(nèi)徑27.0 mm。結(jié)合ACME螺紋標(biāo)準(zhǔn)，確定外螺紋主要參數(shù)為：螺紋型號為愛克姆螺紋2-3/16-6ACME，其公稱直徑為外徑d=55.56 mm，螺距P=4.23 mm，牙型角 α=29°。

2 橋塞中心管承壓理論計(jì)算

由拉梅公式，管柱徑向應(yīng)力為：

管柱軸向應(yīng)力：

式中：Po-外表面壓力；Pi-內(nèi)表面壓力；r-從內(nèi)表面r1處至外表面r2處的任意半徑。

最大應(yīng)力發(fā)生在管柱內(nèi)表面或外表面，因此將前式改寫，可得到管柱內(nèi)外表面的應(yīng)力。

當(dāng)r=r1時(shí)：

當(dāng)r=r2時(shí)：

由第四強(qiáng)度理論知，Mises應(yīng)力為：

進(jìn)行校核時(shí)，如果下式成立，則管柱處于安全狀態(tài)：

三軸應(yīng)力安全系數(shù)為：

式中：σz-管柱的軸向應(yīng)力，MPa；σθ-管柱的周向應(yīng)力，MPa；σr-管柱的徑向應(yīng)力，MPa；σxd-管柱的等效應(yīng)力，MPa；［σ］-管柱材料的屈服極限，MPa。

可降解橋塞的危險(xiǎn)點(diǎn)位于中心管處：中心管內(nèi)徑27 mm，外徑 57.5 mm（公差為-0.13 mm 和-0.1 mm），計(jì)入加工公差，最小外徑為56.87 mm，危險(xiǎn)點(diǎn)位于中心管與調(diào)節(jié)環(huán)連接的間隙處，中心管其他位置均與其他部件相連。所受內(nèi)壓為50 MPa，外壓為0。

由公式（3）和（4）得：

將數(shù)據(jù)帶入公式（7）得：

中心管材料為鎂鋁合金，屈服極限為360 MPa，則：

圖1 中心管結(jié)構(gòu)示意圖

表1 橋塞中心管主要技術(shù)參數(shù)

由此，可得可降解橋塞中心管主要技術(shù)參數(shù)（見表1）。

3 橋塞中心管承壓有限元分析

3.1 坐封過程

坐封過程中，橋塞中心管受到導(dǎo)錐上承受的坐封力。因此，在對中心管進(jìn)行有限元分析時(shí)，將螺紋連接力簡化為作用在中心管右端面大小為24 MPa拉應(yīng)力，左端面添加固定約束。中心管最大變形為0.993 mm，最大應(yīng)力為312.02 MPa，中心管材料為鎂鋁合金，強(qiáng)度極限為360 MPa，故該情況滿足使用要求。

3.2 壓裂過程

坐封過程中，橋塞中心管受到導(dǎo)錐上承受的工作壓差，內(nèi)壁承受50 MPa的壓力，外壁的前半段也承受50 MPa的壓力。因此，在對中心管進(jìn)行有限元分析時(shí)，將螺紋連接力簡化為作用在中心管右端面大小為50 MPa拉應(yīng)力，中心管臺階左端面添加固定約束。中心管最大變形為0.303 mm，變形較小，中心軸連接穩(wěn)定；最大應(yīng)力為236.02 MPa，中心管材料為鎂鋁合金，強(qiáng)度極限為360 MPa，故該情況滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）對可降解橋塞中心管主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定其基本參數(shù)。

（2）對可降解橋塞中心管承壓進(jìn)行理論計(jì)算，確定其主要技術(shù)參數(shù)。

（3）對可降解橋塞中心管承壓進(jìn)行坐封過程和壓裂過程有限元分析理論計(jì)算。驗(yàn)證其滿足使用要求。

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