油井管空心轻质爬行器设计研究

２Ｏ１１年第４Ｏ卷　第４期第４３页　油矿场机械　ＯＩＬ　ＦＩＥＬＤ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　

文章编号：１００１　３４８２（２０１１）０４—００４３—０４　

油井管空心轻质爬行器设计研究　

徐建宁，李万钟，吕文杰　

（西安　油大学机械工程学院，西安７１　００６５）　

摘要：在多层复合油气藏，为提高单井的经济效益，采油前可先进行分层压裂。压力液通过空心轻　

质爬行器对过球式喷砂滑套内的滑套施加压力来剪断过球式喷砂滑套上的剪钉，打开喷砂嘴。通　

过封隔器、过球式喷砂滑套和空心轻质爬行器的配合使用完成油井下层的有效封堵。对空心轻质　

爬行器进行了优化设计和虚拟装配，介绍了基本原理和工作特点，并对爬行器的强度进行了有限元　

分析。　

关键词：压裂；爬行器；油管；ＡＮＳＹＳ　

中图分类号：ＴＥ９３１．２０３　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈｏｌｌｏｗ　Ｌｉｇｈｔ　Ｃｒａｗｌｅｒ　ｉｎ　Ｔｕｂｅ　

ＸＵ　Ｊｉａｎ—ｎｉｎｇ，ＬＩ　Ｗａｎ—ｚｈｏｎｇ，Ｉ　Ｖ　Ｗｅｎ—ｊｉｅ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｘｉ　ａｎ　Ｓｈｉｙｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｘｉ　ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ　ｏｆ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｗｅｌｌ，　

ｂｅｆｏｒｅ　ｏｉｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｅ　ｃａｎ　ｃａｒｒｙ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｉｎ　ｓｅｐａｒａｔｅｄ　ｌａｙｅｒ．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｌｕｉｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｈｏｌｌｏｗ　

ｌｉｇｈｔ　ｃｒａｗｌｉｎｇ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｓｌｅｅｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｌｌ　ｔｙｐｅ　ｓａｎｄｂｌａｓｔｉｎｇ　ｓｌｉｐ　ｓｅｔｓ　ｔｏ　ｃｌｉｐ　

ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｐｉｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｓｔ　ｎｏｚｚｌｅ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｐｌｕｇｇｉｎｇ　ｏｆ　ｌｏｗｅｒ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　

ｔｈｅ　ｐａｃｋｅｒ，ｔｈｅ　ｂａｌｌ　ｔｙｐｅ　ｓａｎｄｂｌａｓｔｉｎｇ　ｓｌｉｐ　ｓｅｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｏｌｌｏｗ　ｌｉｇｈｔ　ｃｒａｗｌｅｒ　ｗｅｒｅ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ．　

Ｔｈｅ　ｈｏｌｌｏｗ　ｌｉｇｈｔ　ｃｒａｗｌｉｎｇ　ｗａｓ　ａｓｓｅｍｂｌｅｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ；ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ—　

ｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒａｗｌｅｒｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ；ｃｒａｗｌｅｒｓ；ｏｉｌ　ｔｕｂｅ；ＡＮＳＹＳ　

压裂是油气井增产、注水井增注的重要措施之　

一，从２ｏ世纪４０年代发展至今，已成为油气田勘探　

开发的主要措施之一。在注水开发的油田中，通过　对油水井的对应压裂，以注水井为主的分区整体压　裂改造在一定程度上提高了注水效果，加快了油田　

开发速度，提高了采油率，因此水力压裂也是油田开　

发的有效手段ｌ１］。　

１　国内外压裂工艺技术简介　田压裂后变成了可以开发的油气田［１］。我国压裂工　

艺技术从２ｏ世纪５Ｏ年代开始陆续为各油田采用，　压裂井段可达１　５（）（）～５　０００　ｍ，井温达６０～２００。Ｃ，　

压裂方式采用全井压及分层选压相结合，压裂液采　

用以田菁衍生物为主的水基冻胶压裂液，支撑剂采　用石英砂和陶粒，压裂井段的岩性有砂岩、灰岩、变　

质岩和花岗岩。近年来加强室内研究，科学设计，采　

用大功率泵注设备，压裂效果明显提高Ｅｌｉ。　

水力压裂技术１９４７年在美国堪萨斯州试验成　

近年来，国外一些极低渗透无工业价值的油气　功　，其发展迅速，特别足２Ｏ世纪８Ｏ年代末以来，　

收稿日期：２０１０—１０—２１　作者简介：徐建宁（１９６３），男，浙江平　人，教授，硕士，从事石油机械的科研和教学工作，Ｅ　ｍａｉｌ：ｊｎｘｕ＠ｘｓｙｕ．ｅｄｕ．ＣＦＩ。

　・　４４　・　石油矿场机械　２０１１年４月　

在压裂材料、工艺技术和设计方法等方面都取得了　

新的进展。２０世纪８Ｏ年代后期至９Ｏ年代初，水力　压裂已不仅用于低渗透油气田的改造，在中、高渗地　

层以及环境条件恶劣的海洋、沙漠、沼泽等地区，作　

为布井方案的重要影响因素也受得了广泛的重视。　

在保证施工成功率的前提下，设计和工艺措施更　

强调施工的有效率。为此，在地层评估的基础上，深　人研究了引起支撑裂缝渗透率（导流能力）伤害的原　

因，提出了减少伤害的各种措施和方法。同时为保证　

施工质量，探索出了一整套压裂实时监测和施工参数　

监控技术，并研制出了一整套适用于不同地层条件　

（温度、渗透率）的低伤害新型压裂材料（支撑剂、压裂　

液、添加剂等）以及相应的新工艺、新技术（高砂比压　裂、重复压裂、压裂监测和裂缝检测等）　］。　

２分层压裂工艺　

分层压裂是指在一次压裂作业中压开多层或有　

选择性的压开预定油层段的方法，也称选择性压裂。　

选择性压裂多用于射孔完成的井，可以进行分层改　造，充分发挥每个产层的潜力＿１］。重点研究了滑套　

压裂工艺。　

１）　射孔用射孔设备射开井下预定产层段的　

套管。　

２）　下入封隔器和过球式喷砂滑套　在下人封　隔器和过球式喷砂滑套之前，先用螺纹将过球式喷　

砂滑套固定在封隔器上。当封隔器和过球式喷砂滑　

套至预定产层段的下部后，由高压设备向井口注水　

加压，使封隔器上的胶筒和卡瓦依次打开，从而将该　

层卡住。　

３）投入爬行器从油管内投入爬行器，然后　向油管内加压，爬行器下端进人过球式喷砂滑套与　

之密封，并在上下液压差的作用力下向下运动，压力　继续升高剪断滑套上的剪钉，使滑套和爬行器一起　

下行［６　打开喷砂孔，并在压力液的作用下继续下行，　

直到滑套嵌人滑套座并与之锁定，可避免压裂残液　返排时对滑套芯子向上冲击力过大使滑套关闭封堵　

上层。同时，滑套与爬行器、封隔器配合使用封堵　下层。　

３爬行器优化设计　

空心轻质爬行器对打开喷砂嘴和封堵下层起着　不可忽略的作用。用虚拟装配、ＣＡＥ等现代设计方　法对空心轻质爬行器的结构、强度进行优化设计。　３．１主要技术性能要求　１）　能顺利打开喷砂滑套并越过滑套芯子落入　

爬行器座。应满足气田压裂需要，承压７０　ＭＰａ，耐　

温１２０℃。　２）　合层放喷排液时，能顺利随返排液到达井　

口捕捉器处。　３）　爬行器配套有打捞工具，一旦返排液不能　

将控制器携带至井口，通过钢丝作业用打捞工具可　

打捞出爬行器。　

４）　爬行器依靠放喷返排液至井口时，井口捕　

捉器能顺利捕捉到爬行器，并能发出捕捉信息，捕捉　

器承压５０　ＭＰａ，耐温８０℃。　

３．２结构组成及原理　

３．２．１　结构　空心轻质爬行器由捕捞头、提升皮碗、钢球、密　

封短节和半ｘ密封圈组成，结构如图１。　

１　２　３　４　５　

１一捕捞头；２提升皮碗；３一钢球；　４～密封短节；５一半Ｘ密封圈　图１　空心轻质爬行器结构　

３．２．２工作原理　压裂上层时，首先从油管内投入爬行器，然后向　

油管内加压，爬行器下端进入滑套并与之密封，爬行　

器在上下液压差的作用力下向下运动，当作用力达　

到某一定值时，剪断滑套上的剪钉打开滑套，有效封　

堵下层。　合层放喷排液时，爬行器依靠放喷返排液将其　携带至井口，由井口捕捞器捕捉，井口捕捉器捕捉到　

爬行器后会发出清脆的响声。若返排液不能将爬行　

器携带至井口，即井口捕捞器未能捕捉到爬行器，则　使用配套打捞工具，通过钢丝作业将携带加重杆的　

捕捞器下入到井底，使爬行器与捕捞器之间形成可　

靠连接，上提钢丝绳将爬行器携带至井口。如果上　提钢丝绳未能将爬行器与滑套脱离，则上提力达到　

某一定值时将剪短捕捞器上的剪钉，使捕捞短节拆　

分为上、下２个部分，下部分及爬行器留在井底，上　

部分随钢丝绳上升到井口。

　第４Ｏ卷第４期　徐建宁，等：油井管卒心轻质爬行器设计研究　・４５・　

３．３捕捞头和密封短节　３．３．１材料选用　空心轻质爬行器承压７Ｏ　ＭＰａ，耐温ｌ２０¨Ｃ，因　此要求选用强度较高，且有较好的耐温性能的材料；　在被井口捕捉器捕捉后应能发出清脆的响声，因此　要求轻质。设计选用ＰＥＥＫ　聚合物。ＰＥＥＫ　聚　合物被广泛认为是可用传统热塑加工设备加工的最　佳性能材料，其性能如表１～３。　表１　标准黏度ＰＥＥＫ　聚合合成物～般性能　

表２标准黏度ＰＥＥＫ　聚合合成物力学性能　

表３标准黏度ＰＥＥＫ　聚合合成物热性能　

通过对ＰＥＥＫ　聚合物的现场试验，空心轻质　

爬行器能够满足轻质的要求。　３．３．２有限元分析　对爬行器中捕捞短节进行结构强度有限元分析，　Ｐｒｏ／Ｅ拥有强大的实体和曲面造型功能　］，在Ｐｒｏ／Ｅ　中建立爬行器模型，导人ＡＮＳＹＳ进行分析，在不影　响仿真和分析的情况下，对模型简化了部分倒角和细　

小的曲面　，以便ＡＮＳＹＳ软件识别和划分网格。按　・４６・　石油矿场机械　２０１１年４月　

实际工况在捕捞短节中间端面施加约束，上端面承受　７０　ＭＰａ压力，有限元模型如图３。网格划分采用三维　实体单元ＳＯｌ　ＩＩ）４５，共有８　３９０个节点，３８　３０９个单　元，划分后的网格模型如图４。捕捞短节变形、应力　和应变云图如图５～８。　

图３捕捞短节有限元模型　

图４捕捞短节网格划分　

图５捕捞短节约束与加载　

图６捕捞短节变形云图　

１Ｏ６Ｅ。¨１２　５４ｌ　２５　０　３，６。３　５０１∞　６２　７０４　＇５　日７，８６　１。。３２７　图７捕捞短节应力云　网８捕捞短节应变云图　

由图５～８可以看出，捕捞短节的最大变形量为　０．６０６　ｍｍ，变形量很小；最小应力为１．０６×１０　

ＭＰａ，最大应力为１１２．８６８　ＭＰａ，捕捞短节的弯曲强　度为１６８　ＭＰａ，能够满足工况的要求；最小应变为　１．６９×１Ｏ～，最大应变为０．０１３，集中在捕捞短节的　

上端，应变很小。设计采用标准黏度ＰＥＥＫ　聚合　合成物材料（４５０ＧＩ　３０），弹性模量为９×１０。Ｐａ，泊　

松比０．４５。在工作环境温度为ｌ３０℃时，该材料弯　曲强度估计值为１６８　ＭＰａ，表明捕捞短节的材料能　够满足实际生产要求。　

４　结语　

空心轻质爬行器采用ＰＥＥＫ　聚合物，选材特　殊，易于加工，拉伸性能高于大多数工程热塑性塑　

料，在高温下能连续使用；具有质轻的特点，在合层　放喷排液时，对爬行器依靠放喷返排液携带至井口　极为有利，并且便于搬运。　

参考文献：　［１］　李文华．采油　Ｅ程［Ｍ］．北京：中国石油出版社，２００４．　［２］杨秀夫．国内外水力压裂技术现状及发展趋势［Ｊ］．钻　采工艺，１９９８，２１（４）：２１－２５．　［３］程英姿．水力压裂技术新进展［Ｊ］．江汉石油职工大学　学报，２００９，２２（６）：６卜６４．　［４］朱洪梅，邱金平，杨继军，等．跨隔压裂层与水力泵返　排联作工艺的开发与应用［Ｊ］．石油矿场机械，２００７，３６　（１２）：７３—７５．　［５ｊ赵广民，任　勇，张丽娟，等．组合封隔器分压管柱使　用条什分析［Ｊ］．２００９，３８（１２）：８３—８５．　［６］李兴煜．不动管柱分层压裂技术研究［Ｊ］．石油矿场机　械，２００８，３７（９）：１０３－１０６．　［７］　张　瑾．基于Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＮＳＹＳ的阀门实体建模与有　限元分析［Ｊ］．　油矿场机械，２００８，３７（１）：４３—４５．　［８］　李鹏，牟新明，高　明，等．顶驱中心管强度有限元分　析［Ｊ］．石油矿场机械，２００９，３８（９）：５９—６２．