井下節流器結構優化在采氣過程中的節能作用

王鵬

（1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省致密油和泥巖油成藏研究重點實驗室）

大慶深層天然氣已探明未動用中基性火山巖、致密砂礫巖儲量達570.61×108m3，在投產過程中（以宋深9 區塊為例），普遍存在著壓力高（48 MPa）、產量較低（1×104～5×104m3/d），按常規高壓輸送模式建井成本高，經濟評價無法通過，需利用井下節流工藝，井下降壓，地面低壓集輸，節約建井成本，才能實現高壓低產氣井的高效節能開發[1-2]。近年來，大慶油田通過對井下節流工藝技術的攻關以及與多項配套技術的研究，解決了大慶深層氣高溫、高壓、高含CO2氣井下節流工藝應用的瓶頸。

1 技術現狀

卡瓦式任意位置井下節流器是大慶油田采油工程研究院自主研發的一種用于井下節流工藝上的配套工具。投放頭與節流器通過鋼銷釘連接，下行時卡瓦松弛，密封膠筒處于自然收縮狀態；達到設計位置，上提卡瓦定位，向上震擊剪斷投放頭與節流器連接銷釘，內部彈簧撐開密封膠筒坐封；開井后節流嘴上、下形成壓差，密封膠筒進一步撐開封牢。打撈時下放工具串帶專用打撈頭，下震擊將打撈頭與節流器對接，抓提卡瓦，震擊時造成卡瓦松弛，同時打撈頭擠壓工具中心桿，彈簧收縮；密封膠筒回到自然收縮狀態，上提即可撈出節流器。工具耐溫150 ℃、承壓35 MPa，卡瓦式任意位置井下節流器結構如圖1所示。

圖1 卡瓦式任意位置井下節流器結構

卡瓦式任意位置井下節流器在室內試驗過程中出現支撐錨定卡瓦牙齒磨損不均勻、卡瓦支撐腿受力變形問題，初步分析可知，該現象是由于模擬井下生產工況下，卡瓦受錐體支撐力較大導致，筆者擬應用數值模擬手段分析卡瓦式任意位置井下節流器中錐體與卡瓦、卡瓦與套管之間的接觸應力關系，優化節流器結構，降低錐體與卡瓦接觸應力，提高工具穩定性。借鑒井下封隔器卡瓦等相關工具數值模擬方法，通過數值模擬方法給出了工具結構優化設計的思路和技術手段[3-6]。

2 建立有限元模型和邊界條件

根據封隔器卡瓦相關井下工具數值模擬方法，給出了相關工具結構優化設計的思路和技術手段。通過簡化卡瓦式任意位置井下節流器中錐體、卡瓦和油管之間接觸關系，建立錐體、卡瓦和油管三維接觸幾何模型（圖2）。從三者的接觸關系可知，當錐體上行時卡瓦與錐體相互擠壓，支出卡瓦牢靠錨定到油管內壁。

圖2 錐體、卡瓦和油管三維接觸幾何模型

2.1 建立有限元模型

應用數值模擬軟件建立有限元分析模型。其中，油管采用六面體網格進行劃分，錐體和卡瓦采用四面體和六面體網格進行劃分，其有限元網格模型如圖3所示。錐體、卡瓦和中心管之間分別建立接觸單元，接觸摩擦系數為0.2（金屬與金屬接觸），錐體、油管和卡瓦接觸對有限元模型如圖4所示。

2.2 材料設置

錐體、卡瓦和油管材料力學性能參數如表1所示。2.3 邊界設置

圖3 錐體、卡瓦和油管有限元網格模型

圖4 卡瓦與錐體、卡瓦和油管接觸有限元模型

表1 不同材料力學性能參數

根據卡瓦式節流器實際工況，設置數值模型的邊界條件：

1）節流器卡瓦在錨定過程中，錐體支撐卡瓦，將卡瓦頂端固定，對卡瓦頂端施加位移約束；卡瓦牙齒咬入油管，對油管外壁施加位移約束。

2）節流器初始錨定坐封后，生產過程中，節流器上下節流壓差越大，錨定載荷越大，模擬錐體推動支撐力為1 t。

3 節流器數值模擬分析

根據建立的接觸有限元分析模型，通過設定合理的位移邊界條件和載荷邊界條件，借助數值模擬分析錐體、卡瓦、油管擠壓受力狀態，通過優化卡瓦結構，降低卡瓦與油管、卡瓦與錐體接觸應力狀態，達到提高井下節流器錨定穩定性的效果。模型中三片卡瓦的應力分析結果如圖5a所示，卡瓦和油管最大接觸應力達到924 MPa，卡瓦咬入油管0.255 mm錐體軸向運動位移，卡瓦邊部結構應該進一步優化，避免應力集中導致卡瓦與油管咬痕過大。

圖5 卡瓦與錐體、卡瓦和油管接觸應力云圖

在保證錐體抗外擠強度的基礎上，通過改變卡瓦牙齒邊部結構，將卡瓦側面與油管的線接觸改變為圓弧過渡接觸，使得優化后的模型在保持其他部件穩定性的基礎上，降低卡瓦與油管的接觸應力最大值，來達到優化節流器卡瓦結構的目的。將優化后的模型導入軟件中，在相同邊界條件下進行受力分析，模擬分析卡瓦與油管間的接觸應力，模擬分析結果如圖5b 所示，錐體、卡瓦和油管間分析結果如表2所示。

表2 錐體、卡瓦和油管間分析結果

根據模擬分析結果，在保持卡瓦牙齒弧度不變的基礎上，通過改進卡瓦邊部結構，改善卡瓦與油管接觸狀態，改進后，卡瓦邊部弧度優化為2°，卡瓦最大應力降低577 MPa （較優化前降低37.5%），卡瓦錨定力分布更加均勻，卡瓦穩定性提高，優化前后卡瓦結構示意圖如圖6所示。

圖6 卡瓦結構優化前后示意圖

4 現場應用效果

以大慶徐深X井為例，下入節流器后關井，時隔50 天后開井，站內放空40 min 后，井口壓力由關井時的23.8 MPa 降至6 MPa，日產氣量為3.5×104m3，符合設計要求，已穩定生產24 個月，下入節流器前后一個月生產曲線如圖7所示。井下節流器的改進前后現場應用情況對比（表3），施工成功率100%，最長有效期長達2年，較之前有效期延長1 年以上。卡瓦式井下節流有效期由原來的4 個月延長至2 年，每口井年節約鋼絲作業2 次，共計節約作業施工費用96萬元。

表3 井下節流器的改進前后現場應用情況對比

圖7 徐深X井下入節流器前后生產動態曲線

5 結論及認識

1）在相同錨定坐封載荷條件下，節流器卡瓦與錐體接觸面結構對錨定接觸力狀態影響較大，通過優化卡瓦底部面的形狀，降低接觸面積，降低卡瓦牙齒邊部與油管接觸應力37.5%，顯著提升節流器穩定性，節流器工作壽命延長1年以上。

2）井下節流器性能提升可減少井下施工作業次數，降低氣井常規維護作業費用及能耗，顯著提高經濟效益。

3）筆者針對卡瓦與錐體接觸方式進行了優化，另外卡瓦牙齒的角度、弧度等因素對工具穩定性的影響尚未深入研究，是下步工作研究的重點。