預成型分支系統膨脹整形工具設計及仿真分析

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(1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100101)

六級分支井技術具有分支井眼連接處機械支撐的完整性、液力密封性能、井眼的選擇性再進入性能和建井風險低等特性，是目前鉆完井前沿技術研究的熱點和難點。其中，六級分支井井下分支系統是該技術研究和實施的核心，預成型六級分支井井下分支系統由于下井尺寸小，可節約上部井段大量的施工費用，成為施工者的首選。

目前，國外主要服務公司已掌握了六級分支井技術，并開發了2類分支系統[1-10]，一種是井下分離頭裝置，主要包括Stackable Splitter系統和DeepSet Splitter系統，其特點是下井時的尺寸與建分支井時的尺寸一樣，系統外徑較大，相應上部井段井眼尺寸大，成本較高；另一種是預成型分支系統，主要包括RapidSeal系統和Formation Junction系統，其特點是已在地面將一個分支或兩個分支進行預壓縮，減小系統尺寸，待入井后通過下入膨脹整形工具進行恢復設計尺寸，相應上部井段井眼尺寸小，成本較低。國內六級分支井技術還處在研究階段，已完成了井下分支系統的優化設計及樣機加工工作，但相應的膨脹整形工具研究還未開展。本文采用有限元分析方法來設計膨脹整形工具。

1 整體方案設計

分支系統[7]由異徑接頭、筋板和2個雙側對稱的分支3部分組成，如圖1所示。異徑接頭是分支系統的起始部分，與上部套管柱連接，相當于1個三通，可懸掛和定位分支施工時的導向裝置；2個分支用于形成2個分支井眼；筋板用于分隔2個不同的井眼，并保證整個分支系統在壓縮成型、膨脹整形以及施工過程中的強度要求。

1—分支套管；2—筋板；3—異徑接頭。

分支材料為1Cr18Ni9Ti，外徑177.8 mm，壁厚7 mm，泊松比0.3，彈性模量2.1×1011Pa，屈服強度210 MPa；筋板材料為40CrMnMo，厚度60 mm，寬度240 mm，長度為1 130 mm，屈服強度785 MPa，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，且中間實體部分占整個筋板長度的1/3。異徑接頭由于變形極小，其材質暫不考慮。分支套管的軸線與筋板軸線夾角為2°。分支系統參數如表1。

表1 分支系統參數 mm

膨脹整形工具由兩排活塞組成，通過電纜將動力傳送至井下的整形工具，驅動活塞緩慢伸出，將2個壓縮狀態的分支逐漸恢復到設計尺寸。預成型六級分支井井眼連接總成如圖2所示。

圖2 膨脹整形工具

2 仿真分析

分支系統的壓縮和膨脹整形分析采用位移施加法；膨脹整形工具采用壓強施加法。根據分支系統的力學性能仿真結果來設計膨脹整形工具。

2.1 分支系統壓縮和膨脹整形仿真分析

2.1.1模型建立及參數選取

通過AutoCAD軟件繪出預壓成型和膨脹幾何模型。為簡化模型，只選中分支、壓板和膨脹整形板，將其保存為SAT格式文件，之后導入Ansys軟件，如圖3。

圖3 導入Ansys的模型

分支系統的壓縮和膨脹整形屬于大變形的彈塑性問題，選用可模擬大變形的Solid185單元、目標單元Target170和接觸單元Contact174。材料力學性能參數如表2。

表2 材料力學性能參數

采用掃掠網格劃分方式對模型進行網格劃分。將邊分成若干等分，之后分配第1個實體的單元屬性，進行體掃掠網格劃分；再分配第2個實體的單元屬性，進行體掃掠網格劃分；最后分配第3個實體的單元屬性，并進行體掃掠網格劃分。如圖4。

圖4 網格劃分

分析中，將壓板和膨脹整形板定性為剛性體，采用施加位移的方法來對分支施加載荷。壓板和膨脹整形板均采用Contact Manager建立導向點和接觸付。如圖5所示。

a 壓板與分支

b 膨脹整形板與分支

2.1.2載荷、約束施加及求解

分析中采用逐步載荷施加求解法進行仿真分析。首先將分析類型定義為結構靜力分析，然后進行各步約束載荷施加及求解。

1) 將通過Analysis Type→Sol’n Controls→basic選項中的Analysis Options選為Large Displacement Static，Time at end of loadstep設為1，關閉Automatic time stepping，子步數設為5。

分析中，為簡化模型，不考慮分支與筋板的焊縫連接，將分支與筋板的連接面設定為全約束，并將壓板和膨脹整形板的導向點設為全約束，通過Solution→Define Loads→Operate→Transfer to FE→All Solid Lds將約束分布到有限元單元。進行求解。

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2) 對壓板的導向點施加UX=-0.039 35的位移，并將Time at end of loadstep設為2，打開Automatic time stepping，Number of substeps設為100，Max no. of substeps設為1 000，Min no. of substeps設為100。進行求解。

3) 對壓板的導向點施加UX=0.05的位移，并將Time at end of loadstep設為3，其他不變。進行求解。

4) 膨脹整形板的導向點施加UX=0.045 8位移，并將Time at end of loadstep設為4，其他不變。進行求解。

2.1.3結果分析

壓縮39.35 mm時的分支Von Mises Stress云圖、膨脹整形外推過程中的分支Von Mises Stress云圖如圖6～7所示。

圖6 壓縮39.35 mm時的分支Von Mises Stress云圖

圖7 膨脹整形外推過程中的分支Von Mises Stress云圖

仿真結果顯示，壓縮時x方向所需的支反力為2.7×105N，即需對壓板施加2.71×105N的力才能將分支腿壓縮到理想形狀。膨脹時x方向所需的支反力為5.15×105N，即活塞缸需要對膨脹整形板施加5.1×105N的力才能將分支腿膨脹到設計要求。

為布局活塞缸需確定支反力的分布規律，通過分支與筋板接觸面的節點將接觸面分為3部分。為簡化拾取節點，只研究圖8中的左半部分接觸面的節點，確定支反力的分布規律，從而為活塞缸的布局提供進一步的依據。

a 6.11×104 N

b 9.11×104 N

c 1.05×105 N

由圖8可知，3部分節點的支反力分別為6.11×104、9.11×104、1.05×105N，依據3部分節點將分支劃分為3部分，則其所需上頂力依次為1.2×105、1.8×105、2.1×105N。考慮所設計的筋板結構(如圖1)，將分支系統分為3部分，針對圓心角小的一側取2部分作為對象，來設計安裝的活塞缸數量，剩余的1部分由于中間筋板的存在，另外設計安裝的活塞缸數量。因2者所需上頂力分別為1.2×105、3.9×105N。1個活塞缸(活塞缸筒材料35CrMo，額定壓力為31.5 MPa，內徑63 mm，外徑83 mm；活塞材料35CrMo，直徑63 mm；活塞桿材料35CrMo，直徑為28 mm)可提供9.82×104N力，所對應的活塞缸數量為2、4 個。

2.2 膨脹整形工具仿真及分析

2.2.1模型建立及參數選取

使用AutoCAD軟件繪制膨脹整形工具的模型。由于模型對稱，仿真分析只選取1/4模型，并去除膨脹整形板、活塞桿和活塞，如圖9所示。將膨脹整形板受到分支系統的作用力，以及活塞受到的液壓力施加在活塞缸內的上頂面處，同時所述的4、2個活塞缸均處在本體均分點處。

圖9 單側膨脹整形工具的剖面

選用可模擬大變形的Solid185單元。材料力學性能參數如表3。

表3 膨脹整形工具材料性能力學參數

2.2.2載荷施加

對于圖9左側4個活塞缸，在膨脹整形過程中，受到分支系統的作用力為3.9×105N，每個活塞缸分配的作用力為9.75×104N，而活塞缸提供的液壓力為9.82×104N，兩者相差700 N，即施加在活塞缸內上頂面處的壓力為0.3 MPa(對1/4模型施加時為一半)；圖9右側2個活塞缸的活塞桿受到的力為6.0×104N，而活塞缸提供的液壓力為9.82×104N，兩者相差3.82×104N，即施加在活塞缸內上頂面處的壓力為15.3 MPa(對1/4模型施加時為一半)。

2.2.3結果分析

x方向位移云圖、Von mises stress 云圖如圖10～11所示。

圖10 x方向位移云圖

由圖10～11可以看出，膨脹整形工具本體各部分的位移都非常小，幾乎為0；膨脹整形工具本體最大的應力為126 MPa，小于材料的屈服強度。故所設計的膨脹整形工具滿足要求。

3 結論

1) 通過有限元分析軟件對分支系統壓縮和膨脹整形過程進行仿真分析，得出壓縮和膨脹所需的支反力，并通過支反力的分布指導設計活塞缸個數及布局。

圖11 Von mises stress 云圖

2) 通過對膨脹整形工具的仿真分析，驗證了6個活塞缸的均勻布置可完成分支系統的膨脹整形工作。

3) 建議開展考慮焊縫影響下的有限元仿真分析及分支系統的壓縮和膨脹試驗，以及井下膨脹工具的研究。