傅登伟, 郭秀媛, 翟亚锋, 李 子, 邱福寿, 东 方

(1中石油新疆油田公司实验检测研究院 2中石油新疆油田公司质量设备节能处 3中石油西部钻探工程有限公司钻井工艺研究院 4中石油新疆油田监理公司)

0 引言

稠油热采用紧凑型连续管井口悬挂密封器由盘根盒体、隔环、密封盘根、耳式压盘、悬挂机构依次连接构成,具有结构简单、可配套带压提下装置作业等优点，应用于新疆油田稠油热采井口装置，可解决井口空间位置较小情况下连续管的悬挂密封问题，同时为超稠油热力开采工艺提供必要的井口设备支持。现场作业过程中，为掌握油层吸汽程度及均匀性[1-2]，单井水平段需下入连续管(内置测试仪器)进行井底测温、测压[1]，连续管下入深度600～800 m，其悬挂机构的可靠性尤为重要[3-5],悬挂机构由卡瓦座、卡瓦、压帽构成，在卡瓦座内装入卡瓦、垫环，上紧压帽，保证悬挂可靠。悬挂机构见图1。

图1 悬挂机构结构图

本文针对连续管的悬挂问题，在悬挂密封机构的设计中，采用田口优化方法及传统的二次序列规划法对其关键零部件(卡瓦)进行优化设计，通过对比分析两种优化方法确定出卡瓦的最佳结构尺寸，通过预制载荷对卡瓦进行室内试验，结果表明经田口优化方法确定出的卡瓦结构具有较高的可靠性，可为紧凑型连续管井口悬挂密封装置现场作业的安全提供保障。

1 悬挂机构优化设计

1.1 受力分析及优化目标、变量确定

对悬挂密封机构中的关键零部件卡瓦进行受力分析，如图2所示，其所处工况如表1所示。

从图2可知，卡瓦受到卡瓦座的作用力F(可分解为F1、F2)和悬挂的连续管自重Fg的作用会产生一定的滑税或变形，卡瓦的摩擦力可表示为μF1，悬挂连续管时，力学表达式为：

μF1-Fg=ma

(1)

式中：μ—摩擦系数;m—卡瓦的质量，kg;a—加速度m/s2。

分析式(1)，如果增强卡瓦的悬挂性能，需要增大卡瓦的摩擦力μF1，因此将牙距、槽宽、槽深确定为变量。

图2 卡瓦受力示意图

表1 卡瓦工况表

1.2 二次序列规划法优化

二次序列规划法是目前公认的求解约束非线性优化问题的最有效方法之一，它的收敛性好、计算性高、边界搜索能力强，但其迭代过程中的每一步都需要求解一个或多个二次规划子问题。

采用序列二次规划法对卡瓦进行结构优化，优化收敛公差为1%，最大优化迭代次数设为20，通过多通道迭代获得精确最优解。

通过两次迭代试验，可确定牙距3.0 mm、槽宽2.5 mm、槽深30 mm(即序列5)为最优解，最优解对应的应力为19.5 MPa，迭代曲线图见图3～图4。

图3 第一次迭代试验

1.3 田口优化方法

1.3.1 田口优化方法介绍

田口优化方法是日本田口玄一博士创立的，它是一种质量设计方法,同时是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计。该方法将数理统计、经济学应用到品质管理工程中，提出了S/N(信噪比)的概念，并有效地将它作为试验指标应用到正交试验设计中，提出了以正交试验表和信噪比为工具的三次设计(即系统设计、参数设计和容差设计)，用以选择参数间的最优水平组合及其容差。田口的正交试验方法具有试验次数较少、试验结论可靠、良好的再现性和分析计算简单等优点，得到了广泛的应用。

图4 第二次迭代试验

由于影响卡瓦悬挂性能的因素比重尚不明确，因此，创新采用田口优化方法，设计出直交表进行数据分析，对其结构尺寸进行优化设计。

信噪比源于通信的信号、杂音比概念，田口方法用信噪比来度量产品质量波动大小，是参数设计的核心。信噪比的值越大，该影响因子对系统影响就越大。信噪比的极差越大，影响因子的影响就越大,信噪比根据使用场合要求的不同分为望目特性、望小特性和望大特性。较为常用的为望小及望目特性。其性噪比为：

(2)

式中：S/N—信噪比;y—输出特性;n—因子数。

采用该方法优化，根据优化目标，确定影响变量及约束范围，通过变量水平值的选取进行正交试验，结合各因素影响权重分析、交互作用分析、等值曲面等全方位分析，确定最优解，一定程度上保证了最优解的可靠性。

1.3.2 田口试验

根据井口装置结构尺寸、连续管尺寸等约束条件，确定变量牙距2.0 mm、槽宽2.0 mm、槽深25 mm为基准1，同时确定每个变量的水平为3，针对每个变量，结合约束条件，在基准1上下各取1值。取值如表2所示。

用Minitab软件根据表2设计变量的水平值建立正交试验组合，如表3所示。

表2 各因子水平值

表3 各因子水平值

通过Workbench软件，对每组因子组合建模，同时模拟工况分析，如图5所示，每组因子模拟的摩擦力值见表4。

图5 卡瓦模型及受力分析图

表4 组合对应的摩擦力值表

1.3.3 变量分析

用Minitab软件进行因子影响权重分析，如图6所示：

从图6可得，根据斜率程度判断影响权重，牙距>槽宽>槽深。

根据影响权重分析，结合等值曲面点观测，进一步明确因子最大值组合。等值曲面图如图7所示。

从图7中可以得出：

1)槽宽2.0 mm牙距2.5 mm，摩擦力最大。

2)槽宽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。

图6 各因子影响权重分析图

图7 各因子等值曲面图

通过等值曲面分析，初步确定各因子组合，为保证组合的准确性，进行交互作用分析，交互作用分析如图8所示。

从图8可知，当槽深20～25 mm变化，牙距2.0～2.5 mm变化时，两段曲线平行，不存在交互作用。

结合以上分析，最终确定最优组合:牙距2.0 mm，槽宽2.5 mm，槽深25 mm。

图8 各因子交互作用分析

表5 室内试验情况表

2 室内模拟试验

对悬挂机构的悬挂性能进行室内试验，根据连续管的实际重量，按照1.5～3倍的载荷加载，试验情况见表5。

对序列二次规划法和田口优化方法的结果进行对比分析，结果见表6。

表6 优化前后对比表

由表6可得，通过田口优化算法优化尺寸后求解的摩擦力比序列二次规划法求解后得的摩擦力大6.7 kN。结合悬挂机构的室内试验，卡瓦均未出现损伤，也无滑脱现象，验证了悬挂性能的可靠性，用田口优化算法优化后的卡瓦悬挂性能较好。

3 结论

连续管井口悬挂密封器的悬挂机构卡瓦，采用二次序列规划法及田口优化方法对其结构尺寸进行优化，最终确定最优结构尺寸，通过室内试验，验证了田口优化方法的可靠性。

1)牙距、槽宽、槽深为影响影响卡瓦悬挂能力的主要参数，通过不同的参数组合结合实验分析方法，可得到优选参数解。

2)根据不同的算法，可得到基于不同理论基础下的两组优选参数解。

3)通过室内试验的方式可对不同理论基础下的两组优选参数解进行验证，得到最优解。