[發明專利]基于封隔器受力分析的井下射孔測試工具串優化方法

有效

• 申請號: 201710279250.7
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107423471B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 郭曉強;柳軍;劉清友;王國榮;劉咸;宋志文;李時德;趙洪亮;劉鎮嘉
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F30/17;G06F119/04;G06F113/08;G06F113/14
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

1.基于封隔器受力分析的井下射孔測試工具串優化方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、根據井下射孔工具的結構分析和射孔工藝分析，作出以下假設：假定油管柱和射孔槍的材料均勻且各向同性；假定減震器為質量-彈簧-阻尼系統，忽略減震器的幾何形狀和質量分布的不均勻性；不考慮封隔器和油管柱之間的相對位移，被視為固定支座；忽略射孔管柱的結構阻尼，僅考慮減震器和液體阻尼；僅考慮射孔管柱的縱向振動；在以上假設的基礎上建立油管柱-減震器-射孔槍動力學模型；

S2、建立射孔管柱的振動微分方程

S2(1)、取油管柱的一個微段，進行受力分析并建立射孔管柱力學計算模型；

S2(2)、根據達朗貝爾原理得出：

其中，dx為微段的長度；為微段的慣性力；為液體的阻尼力；為油管內部的彈力；ρgAdx為微段的重力；油管柱的坐標原點為最下端點，豎直向上為正方向；油管柱總長度為L，彈性模量為E，橫截面積為A，密度為ρ；彈簧剛度和阻尼分別為k和c，質量塊的質量為m，u₁(x，t)為坐標原點距離x時的截面位移；

S(3)、將公式(2-1)整理變換后得出射孔管柱振動偏微分方程：

其中，a為波在射孔管柱中的傳播速度，且為由射孔管柱重量ρAg₀簡化得到的常數，g₀為重力加速度；v為射孔管柱內外液體對射孔管柱的阻尼系數，當射孔管柱內外有流體時，流體會對射孔管柱產生沿管柱軸線方向的阻尼力，阻尼系數v的計算公式為：

其中，μ為射孔管柱內外液體的動力粘度；D_c為射孔管柱外徑；D_ti為射孔管柱內徑；D_r為井眼直徑；

S3、建立減震器振動微分方程

S3(1)、由于減震器被視為一個質量-彈簧-阻尼系統，因此建立向上為x軸的正方向的坐標系，同時建立減震器受力計算模型；

S3(2)、根據受力平衡得：

f_k1+f_c1＝m₁g+f₁+f_k2+f_c2-----------------------------------------(2-4)

其中，減震器和油管之間的作用力為彈簧力f_k1，阻尼力f_c1，減震器和射孔搶之間的彈簧力f_k2，阻尼力f_c2，除此之外減震器還受到重力m_ig，慣性力f₁；

S3(3)、將公式(2-4)展開得減震器振動微分方程：

其中，u_1d(t)為油管柱最下部微段的位移；u₂(t)為減震器的位移；u_3d(t)為射孔槍最上面微端的位移；m₁為減震器的質量k為減震器的剛度系數;c為減震器的阻尼系數；

S4、建立油管柱-減震器-射孔槍耦合振動方程

S4(1)、油管柱最下端耦合振動方程建立，具體步驟如下：

S4(1a)、建立油管柱最下端受力示意圖，滿足力的平衡條件為：

S4(1b)、將公式(26)展開得出油管柱最下端耦合振動方程：

其中，f_I1為油管柱下端微段的慣性力，N；m_oe為油管柱微段的質量，kg；E₀為油管柱的彈性模量，MPa；A₀為油管柱的橫截面積，mm²；

S4(2)、建立射孔槍最上端耦個振動方程，具體步驟如下：

S4(2a)、建立射孔槍最上端受力示意圖，滿足力的平衡條件為：

S4(2b)、將公式(2-8)展開得出射孔槍最上端耦合振動方程：

其中，f_I3為射孔槍上端微段的慣性力，N；m_pe為射孔槍微段質量，kg；E_p為射孔槍的彈性模量，MPa；A_p為射孔槍的橫截面積，mm²；

S4(3)、建立射孔槍最下端耦合振動方程，具體步驟如下：

S4(3a)、建立射孔槍最下端受力示意圖，滿足力的平衡條件為：

S4(3b)、將公式(29)展開得出射孔槍最下端耦合振動方程：

其中，f_I4為射孔槍下端微段的慣性力，N;u_3d為射孔槍底部微段的位移，mm;p_(t)為射孔槍的沖擊荷載，N;

S5、求解油管柱-減震器-射孔槍偏微分方程

S5(1)、采用有限差分法對以上公式進行求解，以Δt為時間步長，對模型計算時間t進行離散，得到K個時間節點，u_j表示某一時刻位移j＝1，2，…，K;將油管柱分成N個微元段，每段管長為Δx，計算步長為Δt，得到N+1個節點，從下到上編號為i＝1，2，…，N+1;把減震器編號為N+2;將射孔管柱離散為M個微元段，得到M+1個節點，并從上往下編號i＝N+3，N+4，…，N+2+M+1；因此總的節點數為N+2+M+1，u_i，j表示射孔管柱第i節點在第j時刻的位移；用以下公式(2-12)～(2-15)對振動微分方程進行離散；

將公式(2-12)帶入公式(2-13)中得出牛頓中心差分公式：

同理得出：

S5(2)、射孔管柱振動微分方程經差分格式離散得：

S5(3)、減震器振動微分方程經差分格式離散得：

令公式(2-17)變換為：

(x₂+k)u_1，j+1+(-2x₂-2k-x₆)u_i+2，j+1+(x₂+k)u_i+3，j+1＝

x₂u_1，j-x₂u_i+2，j-2x₆u_i+2，j+x₆u_i+2，j+1-x₂u_i+2，j+x₂u_i+3，j+m₁g----------------------------(2-18)

S5(4)、油管柱最下端耦合振動方程經差分格式離散得：

令公式(2-19)變換為：

(-x₁-x₂-k-x₃)u_1，j+1+(x₂+k)u_i+2，j+1＝

-x₁u_2，j+1-x₂u_1，j+x₂u_i+2，j-2x₃u_1，j+x₃u_1，j-1--------------------------------(2-30)

S5(5)、射孔槍最上端耦合振動方程經差分格式離散得：

令公式(2-31)變換為：

(k+x₂)u_i+2，j+1+(-k-x₂-x₄-x₅)u_i+3，j+1＝

x₂u_i+2，j-x₂u_i+3，j-x₄u_i+4，j+1-2x₅u_i+3，j+x₅u_i+3，j+1-------------------------(2-32)

S5(6)、射孔槍最下端耦合振動方程經差分格式離散得：

式中：np為射孔管柱的節點數，np1為射孔槍的節點數，因此聯立(2-33)、(2-32)、(2-30)、(2-18)、(2-16)，即求解出u1，j+1、ui+2，j+1及ui+3，j+3，即求解出j+1時刻油管最下端、減震器及射孔槍最上端點的位移，并且求出射孔爆炸時射孔管柱、射孔槍任意節點處的位移和所受應力，以及封隔器所受應力；

S6、在油管長為160m、200m、240m的基礎上，分析油管長度對封隔器受力影響；

S7、在裝藥量為16g，32g，64g，128g的基礎上，分析射孔槍裝藥量對封隔器受力影響；

S8、在減震器個數設置為1個，其等效剛度為200N/mm，質量為100kg，阻尼為15N·s/mm；減震器個數設置為2個，其等效剛度為100N/mm，質量為200kg，阻尼為30N·s/mm；減震器個數設置為3個，其等效剛度為67N/mm，質量為300kg，阻尼為45N·s/mm的基礎上，分析減震器個數對封隔器受力影響；

S9、在射孔槍長為2.1m、3.3m、1.5m的基礎上，分析射孔槍長度對封隔器受力影響。