随着非常规油田资源开采技术的发展,国内外油气公司针对所开采的油气藏特性和已有的技术现状,开发了套管内多级压裂的各种井下压裂工具和工艺,使套管压裂技术呈现了多样化。本文针对套管内分辫组合式压裂球座的结构复杂、扩径不到位、密封性难于保证等问题,采用现代机械设计理论,通过套管内扩径成型方法,使整体式压裂球座实现变径和封隔功能,旨在球座变径结构和井下扩径方法的创新,为套管内多级压裂提供更加可靠的工具,提高多级压裂施工效率,节省压裂成本。根据5(1/2)"套管内多级压裂技术特征,结合已成熟的分辫组合式变径球座压裂工具,依据金属塑性成型理论,设计了整体式球座及扩径成型压裂工具,主要由整体球座和井下扩径成型加工两大部件组成。整体球座部件由压锥和可溶材质的变径管组成,通过压锥挤压变径管发生塑性变形,实现球座扩径和成型。根据整体球座变径和成型过程的受力状态,采用有限单元法,考虑球座扩径成型时的材料、几何和接触非线性,建立了整体球座扩径过程的三重非线性数值模型和计算方法;通过典型结构的有限元分析,得到了变径管壁厚、压锥锥度的最佳结构参数,以及施加到压锥的轴向力,为井下实施成型加工提供了依据。井下扩径成型加工部件主要由加载部件、液力旋转导向部件、承载部件和锁止销钉四部分组成。加载部件为压锥提供轴向力,控制整体球座的塑性变形程度和成型;液力旋转导向部件为成型球座实施丢手功能,控制变径球座与相连工具安全脱离,确保成型球座留在井底,而其他零件全部提离井筒。采用理论计算与数值模拟方法,依据成型部件结构及设计参数,对可施加的载荷工况进行了强度分析,确保扩径成型部件能够安全工作。为了分析所设计工具在井下实施变径和成型的可靠性,采用成熟的workbench软件,选择整体球座和扩径成型工具的承载结构为研究对象,考虑零件间的接触和约束边界,以及井筒液体作用力,建立了零件组合系统的数值分析模型和计算方法。通过对井筒静压0.1MPa(常压)、10MPa、15 MPa、20 MPa、30 MPa工况的数值分析表明:0.1MPa(常压)、10MPa和15 MPa静压下,工具可完成井下作业需求,而20MPa和30MPa静压下的球座,扩径成型外径不足121mm,未达作业要求。不同静压下,球座等效应力随静压增大而减小,变径管-压锥接触面接触应力、承压结构的等效应力随静压增大而增大,所有应力值大小随静压的变化不明显,显示工具性能良好,井下作业受静压影响较小。