杜永军，胡 卫，宋树林，王印发，王 薇

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

(2.吉林油田扶余采油厂，吉林 松原 131200)

(3.大庆钻探钻井四公司，黑龙江 大庆 163318)

(4.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

作者简介：杜永军（1962—），男，教授，博士，主要研究方向为机电一体化，549950283@qq.com.

通讯作者：胡卫，男，硕士研究生，986265360@qq.com.

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摘要：在简单介绍现有的投球滑套式压裂工具所受限制的基础上，给出了解决办法——采用可变径球座代替原有的固定球座，并介绍了工作原理。同时，结合设计出来的可变径球座建立了物理模型以及力学模型，再利用ANSYS软件的求解功能对模型进行了求解。通过对模型的应力分析，确定了可变径球座的可靠性与安全性，从而在理论上验证了利用可变径球座代替原有的固定球座的可行性。

关键词：可变径球座；多级压裂；力学分析；数值模拟；von Mises应力

中图分类号：TE934   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)05-0010-05

压裂就是利用水力作业使油气层形成裂缝的一种方法，其中采用投球滑套作业方式的多层压裂技术以其独特优势在国内各大油田被广泛使用，但其一趟管柱的可压裂层数因受压裂球尺寸的限制而受到严重制约，导致可压裂层数极其有限。在多种情况下，一趟管柱不能解决更多级压裂的情况，且会增加压裂施工成本。同时传统的投球滑套作业方式中投球尺寸必须从小到大投放，否则会出现漏层现象，导致压裂事故，造成严重经济损失。

为了解决这个问题，笔者采用可变径球座替代原有的固定球座，设计了一种新型的投球滑套式压裂工具，达到了采用同一尺寸小球完成多层压裂的目的，在理论上解决了如何提高投球滑套式压裂作业一趟管柱的最大压裂层数和投球顺序严苛的问题。针对这种替代方式，笔者根据其工作原理，建立了相应的简化物理模型以及力学模型，并通过ANSYS软件对这一结构模型进行了建模和受力分析，研究变径过程中应力的变化情况。

1 可变径球座的工作原理

传统的投球滑套作业方式是利用油管柱将压裂工具下放到预定的压裂部位，然后加压完成坐封，随后继续加压，并通过投球准确地控制地层开始压裂的位置，但压裂球必须按从小到大的顺序依次投放到压裂管柱中。当采用可变径球座代替原有的固定球座后，压裂球可选用同一直径的小球，如要控制某一层进行压裂时，只需要控制这一层的可变径球座的直径变小（球座截面形状最开始为C型，直径减小后变为O型,且可变径球座变为O型后的径向尺寸<压裂小球的直径尺寸<可变径球座为C型时的径向尺寸），再通过投入压裂球打开相应的压裂滑套，即可完成相应地层的压裂工作，可变径球座工作原理如图1所示。

2 可变径球座的计算模型

为了确保球座在变径过程中的安全性与可靠性，根据其工作原理以及设计出来的球座尺寸建立计算模型，并求解得到应力云图，以便对球座进行强度校验。

2.1 物理模型取在套管外径为139.7 mm的油井中工作的压裂工具为研究背景，为了简化计算，建立模型时只选取可变径球座和压裂滑套底部作为研究对象.....