基于ABAQUS的整體式彈性扶正器設計方法研究

劉　明，李富平，徐　飛，徐　星

(中國石化石油工程技術研究院 德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005)①

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基于ABAQUS的整體式彈性扶正器設計方法研究

劉明，李富平，徐飛，徐星

(中國石化石油工程技術研究院 德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005)①

整體式彈性套管扶正器以其一體式成型結構特點，較常規彈性套管扶正器具有復位力大、起動力極小、適應性強、入井過程不易破碎、過流面積大等優點，逐漸得到廣泛應用。根據整體式扶正器的結構特點，初步確定了扶正器弓形片的設計計算理論；并基于ABAQUS的有限元分析方法對扶正器弓形片的寬度、跨度和截面形狀等因素對扶正性能的影響進行了研究。通過試制和性能檢測驗證了設計方法的可行性，為整體式彈性扶正器的設計提供了理論參考。

扶正器；設計理論；有限元

隨著鉆井技術的發展與進步，大斜度井、水平井與小間隙井越來越多，從而給固井技術帶來了很多困難。常規的彈性套管扶正器難以滿足復雜的井況需求[1]，主要體現在：扶正器外徑大于井眼內徑，導致起動力偏大，增大套管串下入困難；扶正器結構剛性較差，容易發生破碎；水平井內扶正器復位力小，無法滿足套管居中要求等缺點。整體式彈性套管扶正器以其特殊的結構及工藝特點，能夠克服現有扶正器缺點，同時有效地保證了套管串在固井作業時的居中程度，進而提高了各種復雜固井作業的固井質量。然而對于整體式彈性扶正器的設計一直沒有可靠的理論支撐，因此有必要通過對扶正器結構的各項參數進行研究，形成一套可靠地設計方法。

1　結構特點

整體式彈性套管扶正器由環箍、弓片2部分組成，如圖1所示。

整體式彈性套管扶正器由一整塊原料加工而成，扶正器弓片在圓周上均勻分布，每個弓片兩端與扶正器環箍連接；扶正器弓片根據彈簧的原理設計。與常規彈性扶正器相比，整體式彈性套管扶正器具有如下特點：

1)外徑小于等于井眼尺寸。起動力極小、整體剛性大、復位力強、扶正效果好。

2)扶正器弓片具有一定可壓縮性，能夠適應縮徑等復雜井況。應用范圍廣、適應性強。

3)扶正器由整塊原料加工而成，無焊接和鉸接結構，下入過程中不易破碎。

4)扶正器環箍較常規彈性扶正器截面積小，有利于過流。

圖1　整體式套管扶正器結構

2　力學模型

整體式扶正器的內徑由適用套管規格所決定，外徑尺寸要求等于或略小于井眼尺寸，因此扶正器弓片的厚度、寬度、弓片跨度和截面形狀是整體扶正器的設計關鍵。扶正器弓片是根據彈簧的原理設計的，其工作時弓片受壓，因此弓片彈性性能好壞及弓片的強度是否足夠，是評定整個扶正器性能的關鍵。由于扶正器在井下的受力復雜，因此需要分析扶正器單片弓片的受力模型，找到其變形規律，然后考慮多弓片對于扶正器整體受力的影響，最終獲得扶正器整機的力學模型。

2.1弓片應力與外力關系

在井下，弓片受到的力在一定范圍內是連續分布的。為了簡化計算，將連續變化的分布力假設為一集中力F。由于扶正器在現場應用時，兩端是自由的，因此假設弓片受集中力F作用時，兩端是可自由延伸的。簡化后的弓片受力模型如圖2所示。

圖2中，曲線AB代表弓片，F為集中力，兩端反力為F/2。由于弓片曲率很小，且弓片的厚度相對于其弓片彎曲半徑很小，所以可近似的按直桿計算。

在AB上取一截面，截面處的受力如圖2b。則任意截面處的應力為[2-3]

(1)

當x=l/2時，最大應力為

(2)

a　受力模型

b　截面

2.2弓片的壓縮變形量與外力關系

假設弓片在外力F作用下，壓縮變形量為D，由卡氏定理[2]得：

(3)

(4)

(5)

式中：E為弓片材料的彈性模量，MPa；b為弓片的寬度，mm；h為弓片的厚度，mm；l為弓片的跨度(懸臂長度)，mm；D1為弓片收壓縮的距離，mm；F1為復位力，N。

2.3扶正器復位力及起動力計算

扶正器的弓片受壓時，其余各弓片通過扶正器兩端圓箍同樣會產生類似的受壓變形，整個扶正器此時的復位力約等于所有弓片復位力之和，即

Fn=n·F1

(6)

式中：Fn為扶正器復位力，N；n為扶正器弓片數量。

當扶正器外徑等于井眼內徑時，起動力為0；當扶正器外徑略大于井眼內徑時，起動力F2可按照胡克定律進行簡化計算。

(7)式中：F2為扶正器起動力，N；μ為弓片與井壁的摩擦因數；p為弓片下入井眼后(未徑向偏移)的徑向壓力，MPa；D2為扶正器外徑與井眼的半徑差值，mm。

3　有限元優化與設計

采用基于ABAQUS軟件的有限元數值模擬[4-5]技術對弓片結構進行了數值模擬和優化，并分析所設計的扶正器性能。

3.1弓片結構尋優

根據扶正器理論設計時確定的影響扶正器弓片性能的主要因素弓跨度、弓片寬度、截面形狀分別建模，進行有限元分析，通過弓片應力及復位力完成弓片結構的優化。

圖3　扶正器弓片有限元模型

圖4扶正器弓片邊界條件和載荷定義

使用ABAQUS軟件對弓片進行有限元計算，其弓片應力云圖如圖5所示。弓片最大應力為413 MPa，出現在弓片與平直段圓弧過渡處，此處在弓片受壓過程中產生較大的彎折變形，因此為應力集中處。最大應力小于65 Mn材質的屈服強度780 MPa。

圖5　扶正器弓片受壓載荷狀態下應力云圖

通過RP1點提取扶正器弓片在壓到指定高度情況下其弓片產生的復位力數值。針對本模型分析得出單一弓片在受到API10D標準要求指定偏移的壓縮量下所產生的反作用力為1 331.5 N，其反作用力隨壓縮距離變化曲線如圖6所示。

圖6　扶正器弓片反作用力隨壓縮距離變化曲線

通過該分析方法，計算各型弓片受壓反作用力，如表1所示。

表1　各型弓片受壓反作用力

由表1可知，弓片寬度增大有助于提高弓片受壓時產生的反作用力；弓片截面弧形比矩形有助于提高弓片受壓時產生的反作用力；弓片跨度變小有助于提高弓片受壓時產生的反作用力。弓片寬度和跨度的影響趨勢與式(5)結論相一致。

3.2有限元輔助設計

圖7　扶正器有限元模型

圖8　扶正器模型邊界和載荷條件

圖9　扶正器模型壓力載荷下應力云圖

4　性能測試

根據扶正器優化尺寸，完成了整體式套管扶正器制造，如圖10所示。根據API 10D[6](ISO 10427-1-2001/ GBT 19831.1―2005)對弓形彈性套管扶正器的性能檢測要求，使用扶正器性能萬能檢測機，對其起動力、復位力進行測試。性能試驗結果：扶正器未產生物理損壞；扶正器最大起動力274 N，最小復位力6 363 N，2項指標符合標準要求。試驗檢測所得復位力6 363 N，位于理論計算值2 802.7 N與有限元分析值8 762.2 N之間，可以看出有限元分析輔助扶正器設計的準確性更高。

圖10　整體式套管扶正器

5　結語

本文分析了整體式套管扶正器的結構特點及性能優點，對扶正器弓形設計進行了深入的理論分析，推導出扶正器復位力簡化理論設計計算公式。基于ABAQUS有限元軟件對扶正器弓片結構進行優化和整體復位力模擬計算。通過對所優化設計的整體式套管扶正器進行樣機試制，并檢測了其最大起動力和最小復位力，驗證了理論計算和有限元模擬輔助設計對扶正器設計的有效性和正確性，為整體式扶正器的設計提供了理論支撐。

[1]楊啟貞.在水平井、大位移井中選用合適的套管扶正器[J].石油鉆采工藝，2000 (4)：37-39 .

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]馮維明.理論力學[M].北京：國防工業出版社，2006.

[4]石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京：科學出版社，2005.

[6]API Spec 10D Sixth Edition，Specification for Bow-Spring Casing Centralizers[S].2002.

Research on Design Method of Monolithic Bow Spring Centralizer Based on ABAQUS

LIU Ming，LI Fuping，XU Fei，XU Xing

(Dezhou Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.，Ltd.，ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Dezhou253005，China)

Monolithic bow spring centralizer has one-piece construction，which ensures more flexibility，stranger standoff capability，zero start and running forces and bigger flow area.So it is being widely used in recent years.The design method based on the structural characteristics of centralizer is firstly given，and then finite element analysis is used to find the influence of centralizer performance such as width，sectional shape and length of spring.Finally，the test of performance of centralizer which is designed with this method proved the design theory in this paper is available.

centralizer；design theory；finite element analysis

1001-3482(2016)10-0007-04

2016-04-06

劉明(1987-)，男，工程師，碩士，現從事石油井下固完井工具的研發，E-mail：lium@shelfoil.com。

TE925.2

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.002