王俊姬, 王晓, 刘景超, 王世强

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

压力滑套是完井、压裂过程经常用到的压力开关工具，它靠工具的内部压力控制工具的打开，经常协同其它工具一起使用，达到某种特定的功能或实现特定的工艺[1-2]，压力滑套的准确开启压力对现场施工至关重要。

目前，国外压力滑套的设计都比较成熟，开启压力准确；国内也有不少企业研制压力滑套[3-4]，但是都普遍存在开启压力不准确、设计开启压力与试验开启压力偏差较大的问题。为了研究影响压力滑套开启压力的因素，本文进行了压力滑套开启的详细受力分析，提出了考虑密封圈摩擦力情况下滑套开启压力的算法，并通过试验加以验证。

1 压力滑套开启基本原理

滑套的打开压力一般通过剪切销钉控制，活塞通过剪切销钉与外套相连。当活塞推力大于剪切销钉的抗剪切强度时，剪切销钉被剪断。活塞在推力作用下移动，打开与环空的连接通道，实现滑套的打开，如图1所示。

图1 一种压力滑套示意图

2 压力滑套开启压力分析

滑套的开启过程就是活塞在液体压力的作用下克服系统摩擦力剪切销钉的过程。活塞推力、销钉抗剪切力和系统摩擦力在滑套开启的过程中起到主导作用。在实际设计过程中，系统阻力比较复杂，经常不予考虑[5-7]，并因此造成一定偏差。本文分为不考虑摩擦力和考虑摩擦力两种情况进行分析。

2.1 不考虑摩擦力情况下滑套的开启压力

以图2中的压力滑套为例进行分析，压力滑套的活塞与内滑套为同一个部件，内滑套即为压力滑套的活塞。当滑套内部存在压力时，内滑套的上、下两端会同时产生推力F1和F2。活塞的推力T等于内滑套的上、下两端推力之差，即

图2 压力滑套受力示意图

2.2 考虑摩擦力情况下滑套的开启压力

考虑摩擦力的影响，活塞的推力T等于内滑套的上、下两端推力之差减去摩擦力f，则有活塞考虑摩擦的实际推力

式（5）中的摩擦力f可能会产生两种情况:1）内滑套外表面与外套的内表面之间的摩擦；2）密封圈与外套的内表面之间的摩擦。

第一种情况，在工具的设计工程中内滑套外表面与外套的内表面之间通常会留有一定间隙，两个表面的摩擦力很小，可以忽略。

第二种情况，密封圈对密封面的正压力包含两个部分，由密封圈压缩回弹产生的压力和密封液体时液体压力压缩密封圈侧向产生的压力。如图3所示，为了便于分析，可以利用材料力学里的叠加原理，对密封圈两个部分的正压力进行分解[8-10]。

图3 密封圈受力结构示意图

密封圈工作时正压力等于密封圈回弹力产生的正压力与密封圈只受液体压力时的正压力之和，则有

式中，S为上下活塞面面积差。

通过式（14）可知，销钉的剪切压力除了受到内滑套活塞面积和销钉抗剪切强度的影响外，还受到密封圈预压缩力和密封圈的压缩面积影响。当密封圈预压缩力和密封圈压缩力面积对于压力滑套密封圈预压缩力的影响很小（基本可以忽略）时，密封圈压缩当量活塞面积影响重大，是影响钉剪切压力变化的主要因素。

3 试验验证

本文理论部分详尽分析了影响销钉剪切压力的因素、原因及修正算法，但还需要试验加以验证。试验分为两个部分，销钉剪切强度试验和滑套开启压力试验。销钉剪切强度试验是为了保证试验用销钉的剪切强度稳定，并提供准确的参照。

3.1 销钉剪切试验。

1）试验工装。

销钉剪切强度试验采用的试验工装如图4所示。

图4 销钉试验工装和结构示意图

试验工装的内径r=39 mm，工装活塞面积为

试验用剪切销钉分为两种尺寸：1/4 in和5/16 in，进行两种尺寸的剪切销钉试验对比验证销钉的抗剪切强度的稳定性，如图5所示。

图5 试验用剪切销钉

2）试验过程。第一步：组装试验工装，对称安装两颗剪切销钉；

第二步：通过工装另一侧的打压孔，向工装内缓缓打压，直到销钉剪切断裂，记录销钉剪切压力。

连续进行4次打压试验，试验结束后换用另外一种尺寸的剪切销钉，再进行4次试验，记录实验数据。

1/4 in和5/16 in剪切销钉通过试验得到的剪切销钉平均强度分别为283 MPa和282 MPa，如表1和表2所示，两种尺寸销钉所用材料的剪切强度基本一致，材料性能稳定。

表1 1/4 in销钉剪切试验结果表

表2 5/16 in销钉剪切试验结果表

3.2 滑套开启压力试验

为了得到压力滑套的开启压力与销钉抗剪强度的关系，采用压力滑套进行不同剪切强度销钉的滑套开启压力试验，如图6所示。

图6 压力滑套开启压力试验

1）试验参数。

压力滑套的活塞面积为

式中：R1＝40 mm，为活塞外径；R2＝36 mm，为活塞内径。

实验采用1/4 in-20UNC和5/16 in-20UNC两种尺寸的剪切销钉, 销钉的材质与进行销钉剪切试验所用的材质为同一批材料。

1/4 in-20UNC的销钉小径为4.98 mm，剪切面积为19.45 mm2，每个销钉的剪切力5542 N。

5/16 in-UNC的销钉小径为6.4 mm，剪切面积为32.17 mm2，每个销钉的剪切力为9114 N。

2）试验记录。

第一步：组装压力滑套，销钉孔均布安装若干剪切销钉；

第二步：通过工装另一侧的打压孔，向工具内缓缓打压，直到销钉剪切断裂、滑套开启，记录滑套开启压力。

每种情况进行若干次试验，记录实验数据如表3所示。

表3 滑套开启压力试验数据

3.3 试验结果对比分析

1）试验结果分析。

将试验结果统计，得到滑套实际开启压力随销钉剪切力变化的曲线，如图7所示。

图7 滑套实际开启压力随销钉剪切力变化的曲线

压力滑套的开启压力随销钉剪切力的增加而线性增加。同时，得到压力滑套的开启压力拟合公式为

2）理论与试验计算对比分析。

将试验用剪切销钉的剪切力代入压力滑套的开启压力计算公式（14），可以得到滑套考虑摩擦力后的理论开启压力；同时，将试验用剪切销钉的剪切力代入计算公式（4），可以得到不考虑摩擦力的滑套开启压力。绘制3 种结果的变化曲线，进行对比分析，如图8所示。

对比图8中3种结果的变化曲线，考虑摩擦的情况下计算的压力滑套开启压力基本吻合，误差较小。不考虑摩擦力的情况下，误差较大，采用考虑摩擦力的算法可以有效地减少工具的设计误差。

图8 理论计算与试验滑套开启压力对比

通过以上理论分析和实验研究，影响滑套开启压力的主要因素有：滑套的活塞面积、销钉剪切强度、由密封圈的预压缩力和密封圈的液体压缩力所产生的摩擦力。

4 结论

本文对压力滑套的开启压力进行研究，详细推导了压力滑套在不考虑摩擦力和考虑摩擦力情况下的开启压力计算公式，分析了影响开启压力的主要因素。进行了开启压力的试验，并对实验结果进行分析，得到结论如下：

1）不考虑摩擦力计算方法在计算活塞面积较小的压力滑套开启压力时存在较大的计算误差，建议进行此类设计计算时，采用考虑摩擦力的公式。

3）进行了压力滑套的开启压力试验，对实验数据进行拟合，得到开启压力与剪切销钉强度的关系为Y=0.0012X+2.607。

4）对比分析了试验结果和考虑摩擦的理论计算结果，发现考虑摩擦的理论计算结果基本吻合，对工程计算有为P＝重要指导意义。