井下节流器结构优化在采气过程中的节能作用

王鹏

（1.大庆油田有限责任公司采油工程研究院；2.黑龙江省致密油和泥岩油成藏研究重点实验室）

大庆深层天然气已探明未动用中基性火山岩、致密砂砾岩储量达570.61×108m3，在投产过程中（以宋深9 区块为例），普遍存在着压力高（48 MPa）、产量较低（1×104～5×104m3/d），按常规高压输送模式建井成本高，经济评价无法通过，需利用井下节流工艺，井下降压，地面低压集输，节约建井成本，才能实现高压低产气井的高效节能开发[1-2]。近年来，大庆油田通过对井下节流工艺技术的攻关以及与多项配套技术的研究，解决了大庆深层气高温、高压、高含CO2气井下节流工艺应用的瓶颈。

1 技术现状

卡瓦式任意位置井下节流器是大庆油田采油工程研究院自主研发的一种用于井下节流工艺上的配套工具。投放头与节流器通过钢销钉连接，下行时卡瓦松弛，密封胶筒处于自然收缩状态；达到设计位置，上提卡瓦定位，向上震击剪断投放头与节流器连接销钉，内部弹簧撑开密封胶筒坐封；开井后节流嘴上、下形成压差，密封胶筒进一步撑开封牢。打捞时下放工具串带专用打捞头，下震击将打捞头与节流器对接，抓提卡瓦，震击时造成卡瓦松弛，同时打捞头挤压工具中心杆，弹簧收缩；密封胶筒回到自然收缩状态，上提即可捞出节流器。工具耐温150 ℃、承压35 MPa，卡瓦式任意位置井下节流器结构如图1所示。

图1 卡瓦式任意位置井下节流器结构

卡瓦式任意位置井下节流器在室内试验过程中出现支撑锚定卡瓦牙齿磨损不均匀、卡瓦支撑腿受力变形问题，初步分析可知，该现象是由于模拟井下生产工况下，卡瓦受锥体支撑力较大导致，笔者拟应用数值模拟手段分析卡瓦式任意位置井下节流器中锥体与卡瓦、卡瓦与套管之间的接触应力关系，优化节流器结构，降低锥体与卡瓦接触应力，提高工具稳定性。借鉴井下封隔器卡瓦等相关工具数值模拟方法，通过数值模拟方法给出了工具结构优化设计的思路和技术手段[3-6]。

2 建立有限元模型和边界条件

根据封隔器卡瓦相关井下工具数值模拟方法，给出了相关工具结构优化设计的思路和技术手段。通过简化卡瓦式任意位置井下节流器中锥体、卡瓦和油管之间接触关系，建立锥体、卡瓦和油管三维接触几何模型（图2）。从三者的接触关系可知，当锥体上行时卡瓦与锥体相互挤压，支出卡瓦牢靠锚定到油管内壁。

图2 锥体、卡瓦和油管三维接触几何模型

2.1 建立有限元模型

应用数值模拟软件建立有限元分析模型。其中，油管采用六面体网格进行划分，锥体和卡瓦采用四面体和六面体网格进行划分，其有限元网格模型如图3所示。锥体、卡瓦和中心管之间分别建立接触单元，接触摩擦系数为0.2（金属与金属接触），锥体、油管和卡瓦接触对有限元模型如图4所示。

2.2 材料设置

锥体、卡瓦和油管材料力学性能参数如表1所示。2.3 边界设置

图3 锥体、卡瓦和油管有限元网格模型

图4 卡瓦与锥体、卡瓦和油管接触有限元模型

表1 不同材料力学性能参数

根据卡瓦式节流器实际工况，设置数值模型的边界条件：

1）节流器卡瓦在锚定过程中，锥体支撑卡瓦，将卡瓦顶端固定，对卡瓦顶端施加位移约束；卡瓦牙齿咬入油管，对油管外壁施加位移约束。

2）节流器初始锚定坐封后，生产过程中，节流器上下节流压差越大，锚定载荷越大，模拟锥体推动支撑力为1 t。

3 节流器数值模拟分析

根据建立的接触有限元分析模型，通过设定合理的位移边界条件和载荷边界条件，借助数值模拟分析锥体、卡瓦、油管挤压受力状态，通过优化卡瓦结构，降低卡瓦与油管、卡瓦与锥体接触应力状态，达到提高井下节流器锚定稳定性的效果。模型中三片卡瓦的应力分析结果如图5a所示，卡瓦和油管最大接触应力达到924 MPa，卡瓦咬入油管0.255 mm锥体轴向运动位移，卡瓦边部结构应该进一步优化，避免应力集中导致卡瓦与油管咬痕过大。

图5 卡瓦与锥体、卡瓦和油管接触应力云图

在保证锥体抗外挤强度的基础上，通过改变卡瓦牙齿边部结构，将卡瓦侧面与油管的线接触改变为圆弧过渡接触，使得优化后的模型在保持其他部件稳定性的基础上，降低卡瓦与油管的接触应力最大值，来达到优化节流器卡瓦结构的目的。将优化后的模型导入软件中，在相同边界条件下进行受力分析，模拟分析卡瓦与油管间的接触应力，模拟分析结果如图5b 所示，锥体、卡瓦和油管间分析结果如表2所示。

表2 锥体、卡瓦和油管间分析结果

根据模拟分析结果，在保持卡瓦牙齿弧度不变的基础上，通过改进卡瓦边部结构，改善卡瓦与油管接触状态，改进后，卡瓦边部弧度优化为2°，卡瓦最大应力降低577 MPa （较优化前降低37.5%），卡瓦锚定力分布更加均匀，卡瓦稳定性提高，优化前后卡瓦结构示意图如图6所示。

图6 卡瓦结构优化前后示意图

4 现场应用效果

以大庆徐深X井为例，下入节流器后关井，时隔50 天后开井，站内放空40 min 后，井口压力由关井时的23.8 MPa 降至6 MPa，日产气量为3.5×104m3，符合设计要求，已稳定生产24 个月，下入节流器前后一个月生产曲线如图7所示。井下节流器的改进前后现场应用情况对比（表3），施工成功率100%，最长有效期长达2年，较之前有效期延长1 年以上。卡瓦式井下节流有效期由原来的4 个月延长至2 年，每口井年节约钢丝作业2 次，共计节约作业施工费用96万元。

表3 井下节流器的改进前后现场应用情况对比

图7 徐深X井下入节流器前后生产动态曲线

5 结论及认识

1）在相同锚定坐封载荷条件下，节流器卡瓦与锥体接触面结构对锚定接触力状态影响较大，通过优化卡瓦底部面的形状，降低接触面积，降低卡瓦牙齿边部与油管接触应力37.5%，显著提升节流器稳定性，节流器工作寿命延长1年以上。

2）井下节流器性能提升可减少井下施工作业次数，降低气井常规维护作业费用及能耗，显著提高经济效益。

3）笔者针对卡瓦与锥体接触方式进行了优化，另外卡瓦牙齿的角度、弧度等因素对工具稳定性的影响尚未深入研究，是下步工作研究的重点。