封隔器內(nèi)卡瓦有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)選

邊　杰，李英松，羅瑞振，李克鵬，崔光宇，周先軍

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 完井中心，天津 300459；2.中原油田普光分公司，四川 達(dá)州 635001；

3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)①

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封隔器內(nèi)卡瓦有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)選

邊杰1，李英松1，羅瑞振2，李克鵬3，崔光宇3，周先軍3

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 完井中心，天津 300459；2.中原油田普光分公司，四川 達(dá)州 635001；

3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)①

摘要：內(nèi)卡瓦作為封隔器的重要錨定鎖緊工具，其性能直接影響封隔器的工作性能。為研究結(jié)構(gòu)類型對(duì)內(nèi)卡瓦力學(xué)性能的影響，以?152.4 mm套管為例，設(shè)計(jì)了雙面齒C型、雙面齒型、C型及分瓣式4種內(nèi)卡瓦鎖緊結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS有限元分析法建立了4種內(nèi)卡瓦有限元模型，并進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，從力學(xué)性能角度進(jìn)行了對(duì)比及結(jié)構(gòu)優(yōu)選。結(jié)果表明分瓣式內(nèi)卡瓦的力學(xué)性能最優(yōu)，為后續(xù)內(nèi)卡瓦設(shè)計(jì)提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：封隔器；內(nèi)卡瓦；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)選

Finite Element Analysis & Structure Optimization on the Slip of Packers

BIAN Jie1，LI Yingsong1，LUO Ruizhen2，LI Kepeng3，CUI Guangyu3，ZHOU Xianjun3

(1.WellCompletionCenter，ChinaOilfieldServicesLtd.，Tianjin300459，China；2.PuguangBranch,ZhongyuanOilfield,Dazhou635001,China;3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

Abstract：As one of the important anchor lock tools in the packers，the working performance of the slips directly influences the packers’ performance.To study the structures effect on mechanical property of slips，taking casing as example，four slips locking mechanisms were designed：C type of double sided teeth，double sided teeth，C type and split type.Then，according to the structure of slips，ANSYS finite element technology was used to establish the model of slips，and a finite element analysis and calculation was carried out.The results were compared and optimized from the perspective of force loading，and the split type has the most optimal mechanical properties，providing a theoretical basis for subsequent design.

Keywords：packer；slip；finite element analysis；structure optimization water shutoff；tubing pump；packer；integrated pipe string

在油田開發(fā)中，封隔器是實(shí)施機(jī)械采油、分層注水、分層壓裂或酸化、機(jī)械卡堵水等注采工藝作業(yè)的主要井下工具之一。封隔器上的鎖緊機(jī)構(gòu)錨定后起到支撐封隔器、鎖定膠筒的作用，其性能直接影響到油井的產(chǎn)量和生產(chǎn)安全。以前的研究主要基于有限元分析軟件對(duì)單個(gè)卡瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，而較少針對(duì)多種鎖緊形式下內(nèi)卡瓦受力及應(yīng)力分布情況進(jìn)行深入對(duì)比分析。

1建立分析模型

目前，油田常用的內(nèi)卡瓦類型主要有2種，一種是與活塞套、上滑動(dòng)套配合工作的雙面齒內(nèi)卡瓦；另一種是與中心軸及壓套配合工作的單面齒內(nèi)卡瓦。內(nèi)卡瓦的三維模型如圖 1 所示。裝配時(shí)，內(nèi)卡瓦嵌套在活塞套(壓套)內(nèi)側(cè)螺紋(凹槽)內(nèi)，封隔器坐封時(shí)，上滑動(dòng)套(內(nèi)卡瓦)在油壓載荷(彈簧推動(dòng)力)作用下完成跳齒動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)內(nèi)卡瓦的坐封錨定。坐封載荷撤掉后，雙面齒(單面齒)內(nèi)卡瓦通過(guò)螺紋配合進(jìn)行鎖緊，防止內(nèi)卡瓦倒退，從而保證封隔器卡瓦的錨定效果。

a　雙面齒內(nèi)卡瓦

b　單面齒內(nèi)卡瓦

1.1有限元模型

本文以?152.4 mm套管為例，分別設(shè)計(jì)了雙面齒C型、雙面齒型、C型及分瓣式4種內(nèi)卡瓦，并根據(jù)各內(nèi)卡瓦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)4種內(nèi)卡瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。采用具有塑性、蠕變、大變形等特點(diǎn)的SOLID95進(jìn)行網(wǎng)格劃分，TARGE170和CONTA174接觸單元進(jìn)行接觸對(duì)創(chuàng)建，建立了上述4種內(nèi)卡瓦的1/2、1/8、1/2及1/6接觸有限元模型，如圖2所示。

a　雙面齒C型模型(1/2)

b　雙面齒C型端面配合放大圖

c　雙面齒型內(nèi)卡瓦模型(1/8)

d　C型內(nèi)卡瓦模型(1/2)

e　C型內(nèi)卡瓦端面配合放大圖

f　分瓣式內(nèi)卡瓦模型(1/6)

1.2材料屬性設(shè)置

封隔器內(nèi)卡瓦螺紋為三角螺紋，存在尖頂，在進(jìn)行有限元分析時(shí)若只從彈性力學(xué)的角度分析，坐封后卡瓦齒尖會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，甚至可能產(chǎn)生破壞，這與實(shí)際情況不符。彈塑性有限元分析法能較好地解決上述問(wèn)題，其分析結(jié)果更接近內(nèi)卡瓦實(shí)際受力情況，故應(yīng)用彈塑性有限元方法對(duì)內(nèi)卡瓦進(jìn)行應(yīng)力分析，得到其應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。內(nèi)卡瓦材料為20CrMnMo 、其余材料為42CrMo，材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1　材料的力學(xué)性能參數(shù)

1.3約束條件

根據(jù)封隔器的實(shí)際工況，對(duì)有限元模型的邊界條件進(jìn)行如下的處理：

1)與內(nèi)卡瓦相配合的上滑動(dòng)套(壓套)在工作過(guò)程中只能上下移動(dòng)，因此在上滑動(dòng)套(壓套)上施加周向和徑向位移約束。

2)在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，活塞套(中心軸)固定不動(dòng)，對(duì)其施加全約束。

3)由于對(duì)4種內(nèi)卡瓦及其配合的構(gòu)件進(jìn)行了對(duì)稱簡(jiǎn)化處理，在剖面上施加對(duì)稱約束。

4)據(jù)封隔器在工作過(guò)程中的受載情況，在上滑動(dòng)套(壓套)上施加均布鎖緊載荷。

2分析結(jié)果

對(duì)4種內(nèi)卡瓦均施加57.76 kN的鎖緊載荷進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看 出：雙面齒C型、雙面齒型、C型及分瓣式內(nèi)卡瓦的最大應(yīng)力值均位于內(nèi)螺紋牙根部，其最大VonMises應(yīng)力分別為116.35、165.76、325.45和109.65 MPa，均小于內(nèi)卡瓦材料的屈服極限885 MPa，強(qiáng)度滿足要求。在4種內(nèi)卡瓦結(jié)構(gòu)中，分瓣式內(nèi)卡瓦應(yīng)力值最小，安全系數(shù)最高。

上述應(yīng)力云圖不能準(zhǔn)確反映在鎖緊載荷下各螺紋沿周向及軸向的應(yīng)力分布規(guī)律，無(wú)法對(duì)內(nèi)卡瓦螺紋在受力情況下的力學(xué)性能優(yōu)劣進(jìn)行確切判斷。為更加直觀地對(duì)4種內(nèi)卡瓦的力學(xué)性能進(jìn)行分析，將4種內(nèi)卡瓦螺紋節(jié)點(diǎn)應(yīng)力沿周向及軸向繪制螺紋應(yīng)力曲線。

a　雙面齒C型內(nèi)卡瓦

b　雙面齒型內(nèi)卡瓦

c　C型內(nèi)卡瓦

1)內(nèi)卡瓦螺紋沿周向應(yīng)力分析。

內(nèi)卡瓦各螺紋沿周向應(yīng)力曲線分布如圖4所示。

a　雙面齒C型卡瓦內(nèi)螺紋

b　雙面齒型卡瓦內(nèi)螺紋

c　C型內(nèi)卡瓦

d　分瓣內(nèi)卡瓦

曲線圖中從第1圈開始分別代表4種卡瓦從最上端到最下的螺紋編號(hào)(下同)。圖4中，雙面齒C型與雙面齒型內(nèi)卡瓦配合形式相同，C型與分瓣式內(nèi)卡瓦配合形式相同，為便于比較，將圖4a與圖4b、圖4c與圖4d進(jìn)行對(duì)比。由圖4a與圖4b可知，雙面齒內(nèi)卡瓦從上到下各螺紋沿周向應(yīng)力曲線較為平直，受力較均勻，而雙面齒C型沿周向波動(dòng)較大，呈中間低兩頭高的凹狀分布，螺紋受力極不均勻，因此雙面齒內(nèi)卡瓦在兩種卡瓦結(jié)構(gòu)中較好。圖4c中，C型內(nèi)卡瓦沿周向應(yīng)力曲線與雙面齒C型內(nèi)卡瓦相似受力不均。圖4d中分瓣式內(nèi)卡瓦螺紋應(yīng)力曲線在周向上變化較為平滑，各螺紋沿周向受力較均勻，因此分瓣式內(nèi)卡瓦在2種結(jié)構(gòu)中更優(yōu)。

2)內(nèi)卡瓦螺紋沿軸向應(yīng)力分析。

4種內(nèi)卡瓦螺紋根部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均值沿軸向自上而下的應(yīng)力分布規(guī)律曲線如圖5所示。

從圖5知，雙面齒C型內(nèi)卡瓦從最上端到最下端的過(guò)程中，螺紋節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均值總體逐漸減小，最大應(yīng)力差為25 MPa。雙面齒型內(nèi)卡瓦螺紋牙應(yīng)力最大值位于上端配合第6齒上，從第6齒往兩側(cè)應(yīng)力值逐漸減小，呈中間高兩端低單峰分布，應(yīng)力最大差值為35 MPa。C型內(nèi)卡瓦螺紋最大應(yīng)力均值亦在第6齒上，從上往下內(nèi)卡瓦螺紋根部應(yīng)力均值先增大后減小，呈中間高兩端低的單峰分布，最大應(yīng)力差較大，為150 MPa左右。分瓣式內(nèi)卡瓦應(yīng)力最大值位于最下端齒上，第3和第4齒應(yīng)力次之，從最上端到最下端過(guò)程中，應(yīng)力值先增大后減小再增大，最大應(yīng)力差值為20 MPa左右。對(duì)上述4種內(nèi)卡瓦沿軸向分布規(guī)律分析知，分瓣式內(nèi)卡瓦沿軸向應(yīng)力差最小，在4種內(nèi)卡瓦中沿軸向受力效果較好。

a　雙面齒C型內(nèi)卡瓦內(nèi)螺紋根部應(yīng)力均值

b　分瓣式內(nèi)卡瓦內(nèi)螺紋根部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均值

c　C型卡瓦螺紋根部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均值

d　分瓣卡瓦螺紋根部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均值

3結(jié)論

1)在相同外部條件下，分瓣式內(nèi)卡瓦產(chǎn)生的應(yīng)力值最小，安全系數(shù)最高，沿周向及軸向受力更均勻。單面齒卡瓦在加工時(shí)較雙面齒更容易，在4種內(nèi)卡瓦中力學(xué)性能較好，為優(yōu)選結(jié)構(gòu)。

2)C型及雙面齒C型內(nèi)卡瓦在鎖緊過(guò)程中沿周向受力極不均勻，主要原因是內(nèi)卡瓦沿周向配合長(zhǎng)度較大，在受力過(guò)程中卡瓦變形難易程度不一所致。在裝配條件允許的情況下建議進(jìn)行適當(dāng)開口處理，降低每個(gè)螺紋沿周向的配合長(zhǎng)度。

3)在4種內(nèi)卡瓦中，分瓣式內(nèi)卡瓦的力學(xué)性能雖然最好，但其在軸向螺紋應(yīng)力分布上還存在不均勻現(xiàn)象，在后續(xù)分析中需對(duì)分瓣式內(nèi)卡瓦進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)優(yōu)化研究。

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中圖分類號(hào)：TE931.202

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.016

作者簡(jiǎn)介：邊杰(1985-)，女，天津人，工程師，主要從事完井工具設(shè)計(jì)工作，E-mail：bianjie2@cosl.com.cn。

收稿日期：①2015-07-31

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0072-05