稠油熱采用連續(xù)管懸掛密封器懸掛機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

傅登偉, 郭秀媛, 翟亞鋒, 李 子, 邱福壽, 東 方

(1中石油新疆油田公司實驗檢測研究院 2中石油新疆油田公司質(zhì)量設(shè)備節(jié)能處 3中石油西部鉆探工程有限公司鉆井工藝研究院 4中石油新疆油田監(jiān)理公司)

0 引言

稠油熱采用緊湊型連續(xù)管井口懸掛密封器由盤根盒體、隔環(huán)、密封盤根、耳式壓盤、懸掛機構(gòu)依次連接構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、可配套帶壓提下裝置作業(yè)等優(yōu)點，應(yīng)用于新疆油田稠油熱采井口裝置，可解決井口空間位置較小情況下連續(xù)管的懸掛密封問題，同時為超稠油熱力開采工藝提供必要的井口設(shè)備支持。現(xiàn)場作業(yè)過程中，為掌握油層吸汽程度及均勻性[1-2]，單井水平段需下入連續(xù)管(內(nèi)置測試儀器)進行井底測溫、測壓[1]，連續(xù)管下入深度600～800 m，其懸掛機構(gòu)的可靠性尤為重要[3-5],懸掛機構(gòu)由卡瓦座、卡瓦、壓帽構(gòu)成，在卡瓦座內(nèi)裝入卡瓦、墊環(huán)，上緊壓帽，保證懸掛可靠。懸掛機構(gòu)見圖1。

圖1 懸掛機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

本文針對連續(xù)管的懸掛問題，在懸掛密封機構(gòu)的設(shè)計中，采用田口優(yōu)化方法及傳統(tǒng)的二次序列規(guī)劃法對其關(guān)鍵零部件(卡瓦)進行優(yōu)化設(shè)計，通過對比分析兩種優(yōu)化方法確定出卡瓦的最佳結(jié)構(gòu)尺寸，通過預(yù)制載荷對卡瓦進行室內(nèi)試驗，結(jié)果表明經(jīng)田口優(yōu)化方法確定出的卡瓦結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，可為緊湊型連續(xù)管井口懸掛密封裝置現(xiàn)場作業(yè)的安全提供保障。

1 懸掛機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 受力分析及優(yōu)化目標、變量確定

對懸掛密封機構(gòu)中的關(guān)鍵零部件卡瓦進行受力分析，如圖2所示，其所處工況如表1所示。

從圖2可知，卡瓦受到卡瓦座的作用力F(可分解為F1、F2)和懸掛的連續(xù)管自重Fg的作用會產(chǎn)生一定的滑稅或變形，卡瓦的摩擦力可表示為μF1，懸掛連續(xù)管時，力學(xué)表達式為：

μF1-Fg=ma

(1)

式中：μ—摩擦系數(shù);m—卡瓦的質(zhì)量，kg;a—加速度m/s2。

分析式(1)，如果增強卡瓦的懸掛性能，需要增大卡瓦的摩擦力μF1，因此將牙距、槽寬、槽深確定為變量。

圖2 卡瓦受力示意圖

表1 卡瓦工況表

1.2 二次序列規(guī)劃法優(yōu)化

二次序列規(guī)劃法是目前公認的求解約束非線性優(yōu)化問題的最有效方法之一，它的收斂性好、計算性高、邊界搜索能力強，但其迭代過程中的每一步都需要求解一個或多個二次規(guī)劃子問題。

采用序列二次規(guī)劃法對卡瓦進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化收斂公差為1%，最大優(yōu)化迭代次數(shù)設(shè)為20，通過多通道迭代獲得精確最優(yōu)解。

通過兩次迭代試驗，可確定牙距3.0 mm、槽寬2.5 mm、槽深30 mm(即序列5)為最優(yōu)解，最優(yōu)解對應(yīng)的應(yīng)力為19.5 MPa，迭代曲線圖見圖3～圖4。

圖3 第一次迭代試驗

1.3 田口優(yōu)化方法

1.3.1 田口優(yōu)化方法介紹

田口優(yōu)化方法是日本田口玄一博士創(chuàng)立的，它是一種質(zhì)量設(shè)計方法,同時是一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法，它強調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量的提高不是通過檢驗，而是通過設(shè)計。該方法將數(shù)理統(tǒng)計、經(jīng)濟學(xué)應(yīng)用到品質(zhì)管理工程中，提出了S/N(信噪比)的概念，并有效地將它作為試驗指標應(yīng)用到正交試驗設(shè)計中，提出了以正交試驗表和信噪比為工具的三次設(shè)計(即系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和容差設(shè)計)，用以選擇參數(shù)間的最優(yōu)水平組合及其容差。田口的正交試驗方法具有試驗次數(shù)較少、試驗結(jié)論可靠、良好的再現(xiàn)性和分析計算簡單等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。

圖4 第二次迭代試驗

由于影響卡瓦懸掛性能的因素比重尚不明確，因此，創(chuàng)新采用田口優(yōu)化方法，設(shè)計出直交表進行數(shù)據(jù)分析，對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。

信噪比源于通信的信號、雜音比概念，田口方法用信噪比來度量產(chǎn)品質(zhì)量波動大小，是參數(shù)設(shè)計的核心。信噪比的值越大，該影響因子對系統(tǒng)影響就越大。信噪比的極差越大，影響因子的影響就越大,信噪比根據(jù)使用場合要求的不同分為望目特性、望小特性和望大特性。較為常用的為望小及望目特性。其性噪比為：

(2)

式中：S/N—信噪比;y—輸出特性;n—因子數(shù)。

采用該方法優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化目標，確定影響變量及約束范圍，通過變量水平值的選取進行正交試驗，結(jié)合各因素影響權(quán)重分析、交互作用分析、等值曲面等全方位分析，確定最優(yōu)解，一定程度上保證了最優(yōu)解的可靠性。

1.3.2 田口試驗

根據(jù)井口裝置結(jié)構(gòu)尺寸、連續(xù)管尺寸等約束條件，確定變量牙距2.0 mm、槽寬2.0 mm、槽深25 mm為基準1，同時確定每個變量的水平為3，針對每個變量，結(jié)合約束條件，在基準1上下各取1值。取值如表2所示。

用Minitab軟件根據(jù)表2設(shè)計變量的水平值建立正交試驗組合，如表3所示。

表2 各因子水平值

表3 各因子水平值

通過Workbench軟件，對每組因子組合建模，同時模擬工況分析，如圖5所示，每組因子模擬的摩擦力值見表4。

圖5 卡瓦模型及受力分析圖

表4 組合對應(yīng)的摩擦力值表

1.3.3 變量分析

用Minitab軟件進行因子影響權(quán)重分析，如圖6所示：

從圖6可得，根據(jù)斜率程度判斷影響權(quán)重，牙距>槽寬>槽深。

根據(jù)影響權(quán)重分析，結(jié)合等值曲面點觀測，進一步明確因子最大值組合。等值曲面圖如圖7所示。

從圖7中可以得出：

1)槽寬2.0 mm牙距2.5 mm，摩擦力最大。

2)槽寬2.0 mm槽深25 mm，摩擦力最大。

3)槽深25 mm牙距2.5 mm，摩擦力最大。

圖6 各因子影響權(quán)重分析圖

圖7 各因子等值曲面圖

通過等值曲面分析，初步確定各因子組合，為保證組合的準確性，進行交互作用分析，交互作用分析如圖8所示。

從圖8可知，當槽深20～25 mm變化，牙距2.0～2.5 mm變化時，兩段曲線平行，不存在交互作用。

結(jié)合以上分析，最終確定最優(yōu)組合:牙距2.0 mm，槽寬2.5 mm，槽深25 mm。

圖8 各因子交互作用分析

表5 室內(nèi)試驗情況表

2 室內(nèi)模擬試驗

對懸掛機構(gòu)的懸掛性能進行室內(nèi)試驗，根據(jù)連續(xù)管的實際重量，按照1.5～3倍的載荷加載，試驗情況見表5。

對序列二次規(guī)劃法和田口優(yōu)化方法的結(jié)果進行對比分析，結(jié)果見表6。

表6 優(yōu)化前后對比表

由表6可得，通過田口優(yōu)化算法優(yōu)化尺寸后求解的摩擦力比序列二次規(guī)劃法求解后得的摩擦力大6.7 kN。結(jié)合懸掛機構(gòu)的室內(nèi)試驗，卡瓦均未出現(xiàn)損傷，也無滑脫現(xiàn)象，驗證了懸掛性能的可靠性，用田口優(yōu)化算法優(yōu)化后的卡瓦懸掛性能較好。

3 結(jié)論

連續(xù)管井口懸掛密封器的懸掛機構(gòu)卡瓦，采用二次序列規(guī)劃法及田口優(yōu)化方法對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，通過室內(nèi)試驗，驗證了田口優(yōu)化方法的可靠性。

1)牙距、槽寬、槽深為影響影響卡瓦懸掛能力的主要參數(shù)，通過不同的參數(shù)組合結(jié)合實驗分析方法，可得到優(yōu)選參數(shù)解。

2)根據(jù)不同的算法，可得到基于不同理論基礎(chǔ)下的兩組優(yōu)選參數(shù)解。

3)通過室內(nèi)試驗的方式可對不同理論基礎(chǔ)下的兩組優(yōu)選參數(shù)解進行驗證，得到最優(yōu)解。