卡瓦夾持長度對卡持力影響分析

王皓 廖飛龍 高原 倪超 梁維剛

摘要：基于有限元軟件建立對稱及非對稱快速卡瓦夾持鉆具的仿真模型，模擬卡瓦夾持鉆具的過程，分析鉆具的受力狀況并提取不同夾持長度時接觸區(qū)域的最大等效應(yīng)力。通過分析不同鉆桿的受力情況及等效應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)增加卡瓦長度在一定程度上能夠減小鉆桿所受的最大等效應(yīng)力，但效果并不明顯，反而卡瓦過長會造成一系列的問題。

關(guān)鍵詞：卡瓦;有限元;接觸;卡持力

【Abstract】Based on the finite element software， the simulation models of symmetric and asymmetric fast slips clamping the drilling tool are established， the process of slips clamping the drilling tool is simulated， the stress condition of the drilling tool is analyzed， and the maximum equivalent stress in the contact area with different clamping length is extracted. By analyzing the stress and equivalent stress nephogram of different drill pipes， it is found that increasing the slip length can reduce the maximum equivalent stress on the drill pipe to a certain extent， but the effect is not obvious. On the contrary， too long slip will cause a series of problems.

【Key words】Slip; Finite element method; Contact; Clamping force

隨著鉆井逐步轉(zhuǎn)向深層、特深層和復(fù)雜地層等非常規(guī)油氣藏，鉆具懸重日益增加，在使用卡瓦過程中，一旦卡瓦的卡持力超過鉆柱的屈服強度，將會損傷鉆具，給鉆井作業(yè)帶來井下風(fēng)險。因此對大懸重井用卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高要求。卡瓦的各項參量：卡瓦座錐角，卡瓦牙型、數(shù)量、長度及卡瓦材料參數(shù)等都會卡持效果有著直接影響。本文使用有限元分析軟件，著重分析夾持長度對對稱及非對稱快速卡瓦卡持力的影響，并開展臺架實驗，對計算模型進行比對和優(yōu)化，總結(jié)出卡瓦長度對卡持力的影響規(guī)律。

1.卡瓦卡持力分析與計算

卡瓦主要是由卡瓦座，卡瓦牙板組成。工作時卡瓦牙接觸鉆桿外表面，在摩擦力作用下帶動卡瓦座沿井口補芯錐面下行，逐漸推動各瓣卡瓦向中間收攏直到卡緊鉆桿。根據(jù)卡瓦及鉆桿的受力分析， 建立如下力學(xué)平衡關(guān)系：

卡瓦受力情況如圖 1 所示。其力平衡式如下：

2.三維模型建立

根據(jù)實際尺寸繪制鉆桿、卡瓦和卡瓦座三維模型，網(wǎng)格劃分如圖2所示，鉆桿、卡瓦座采用6節(jié)點六面體網(wǎng)格劃分，卡瓦采用四面體網(wǎng)格劃分，同時對載荷施加面進行網(wǎng)格加密處理。卡瓦座底面施加全約束;鉆桿頂部施加縱向位移約束，外壁是自由表面，底面按照300噸鉆具計算，施加782.4Mpa軸向載荷。材料屬性參照材料設(shè)置，鉆桿材料為45 鋼，卡瓦體材料為20CrMnTi。

為了得到夾持長度對卡瓦卡持力的影響，對654mm、700mm、750mm及800mm對稱卡瓦，654mm、750mm、900mm及1000mm非對稱卡瓦進行靜力學(xué)仿真。鉆桿承重 300T 時各夾持長度下的等效應(yīng)力云圖如圖 3所示。

可以看出：增加卡瓦長度在一定程度上能夠減小鉆桿所受的最大等效應(yīng)力，且當(dāng)卡瓦長度為 700mm 時，鉆桿整體受到的應(yīng)力情況最合適，繼續(xù)增加夾持長度效果并不明顯，反而卡瓦過長會造成一系列的問題，造成這種情況的可能原因：被卡瓦夾持段鉆桿本身所受豎直向下的拉應(yīng)力過大。

由圖4可以看出：對于非對稱型卡瓦，最大等效應(yīng)力發(fā)生在卡瓦空缺處鉆桿內(nèi)壁表面，最大等效應(yīng)力隨卡瓦有效夾持長度的增加而逐步減小，與對稱型卡瓦不同：卡瓦有效夾持長度在750mm前，增加夾持長度，對鉆桿最大應(yīng)力的影響不大，但當(dāng)夾持長度達到1000mm后，增加夾持長度可有效降低鉆桿最大應(yīng)力。

3.試驗分析

為驗證有限元計算結(jié)論，在同一錐角工裝中，采用液壓機施加軸向壓力代替坐封力，分別對654mm、700mm、750mm及800mm對稱卡瓦，654mm、750mm、900mm及1000mm非對稱卡瓦模型進行300噸軸向壓力加載，并使用應(yīng)力檢測設(shè)備采集每組試驗的最大應(yīng)力，如圖6所示。本試驗旨在觀察在同一錐度情況下，卡瓦夾持長度對卡持力的影響如圖7所示。

試驗結(jié)果表明：仿真計算模型與實際試驗在數(shù)值上存在一定差異，但變化趨勢基本相同：對稱型卡瓦有效夾持長度在750mm前，通過增加夾持長度的方式能有效降低鉆桿最大應(yīng)力;非對稱卡瓦夾持長度大于750mm時，通過增加夾持長度的方式能有效降低鉆桿最大應(yīng)力。

4.結(jié) 論

（1）由于對稱型卡瓦在初期通過增加夾持長度的方式能有效降低鉆桿最大應(yīng)力，因此對于小懸重鉆井作業(yè)宜使用對稱型卡瓦來減小鉆桿損傷;

（2）非對稱卡瓦夾持長度在750mm以上時，通過增加夾持長度的方式能有效降低鉆桿最大應(yīng)力，因此深井、超深井等大懸重井應(yīng)使用非對稱型卡瓦;