水力錨力學(xué)性能分析

1、    水力錨力學(xué)性能分析    楊浩李明飛曹銀萍秦彥斌【摘 要】水力錨在油田應(yīng)用中作用廣泛，主要工作部件為錨爪，通過錨爪與套管的咬合來起錨定作用，固定一些重要的井下工具。本文運(yùn)用proe和ansys軟件建立水力錨套管三維有限元模型，在內(nèi)壓作用下，錨爪向外伸出與套管接觸，對其進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明：水力錨爪的應(yīng)力主要集中在水力錨爪齒面上，局部會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為608.7mpa；水力錨爪齒面與套管內(nèi)側(cè)的弧度相同時，水力錨爪受力比較均勻，可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時水力錨和套管的變形為彈性變形。水力錨齒數(shù)越多，水力錨應(yīng)力集中點(diǎn)的

2、應(yīng)力越大，選擇齒數(shù)合理的水力錨可以提高安全性?！娟P(guān)鍵詞】水力錨；有限元；力學(xué)性能水力錨是一種常見的油田井下工具，對封隔器等工具起錨定作用，主要工作部件是錨爪，利用水力錨爪的咬合力來克服分層作業(yè)中油管所受的拉力或壓力。在內(nèi)壓作用下，水力錨錨爪向外伸出，卡緊套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)錨定動作。當(dāng)油套壓力平衡后，錨爪在擋板內(nèi)彈簧的彈力作用下收回，解除錨定作用。錨爪與套管間的咬合力對于水力錨的可靠性至關(guān)重要，本文主要用ansys有限元軟件對水力錨進(jìn)行模擬，根據(jù)分析結(jié)果對水力錨進(jìn)行分析。1 水力錨有限元模型建立1.1 建立幾何模型水力錨的核心工作部件為錨爪，內(nèi)壓作用下，錨爪向外伸出咬入套管錨定。內(nèi)壓卸掉，錨爪收回解

3、出錨定。運(yùn)用proe軟件進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入ansys workbench軟件之中，考慮到封隔器是對稱圖形，為了減少計(jì)算量，在建立模型時，將套管沿過軸線的一個剖面剖開，建立一個爪與套管接觸模型進(jìn)行分析。proe建立幾何模型以及ansys workbench建立有限元模型，如圖1、圖2和圖3所示所示：1.2 設(shè)置材料屬性ansys在計(jì)算過程中要設(shè)置材料屬性，套管選擇p110剛級鋼材，其材料參數(shù)如表1所示：1.3 設(shè)置接觸屬性水力錨在工作過程中，錨爪與套管接觸，在有限元計(jì)算過程中要設(shè)置接觸對。錨爪與套管接觸，水力錨爪齒面為接觸面，套管為目標(biāo)面，接觸類型選擇摩擦接觸（frictional），摩擦系數(shù)設(shè)

4、置為0.15。1.4 邊界條件套管由于與底層接觸，所以套管不能移動，運(yùn)用fix support工具固定住套管，對水力錨爪加內(nèi)壓，內(nèi)壓為35mpa。在內(nèi)壓作用下，錨爪沿徑向向外運(yùn)動，水力錨爪向外伸出與套管接觸。2 有限元分析結(jié)果對水力錨施加35mpa的壓力，水力錨爪與套管接觸，分析結(jié)果如圖4所示：在35mpa內(nèi)壓作用下，水力錨爪與套管接觸，水力錨爪的最大應(yīng)力為608.7mpa。由于水力錨爪齒面弧度與套管弧度不一致，在接觸過程中，各個齒面的各個點(diǎn)的接觸情況都不一樣，所以存在應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在兩端齒面，在該齒面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。p110套管的屈服強(qiáng)度為758mpa，水力錨爪的最大應(yīng)力

5、為608.7mpa，低于套管的屈服強(qiáng)度，套管和水力錨爪只產(chǎn)生彈性變形。應(yīng)力集中部分主要集中在水力錨爪齒面上，在套管和水力錨爪齒面的弧度相同時，可以最大程度減少水力錨爪應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)分析結(jié)果可知，水力錨爪的應(yīng)力主要集中在上下兩端的齒面，中間部分的齒面應(yīng)力較小。在中間4個水力錨齒上，應(yīng)力主要是集中在內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)的應(yīng)力明顯高于外側(cè)應(yīng)力，這是由于內(nèi)側(cè)變形比較大，外側(cè)變形比較小引起的，應(yīng)力不均衡會導(dǎo)致應(yīng)力較大的齒面的壽命減少。3 不同齒數(shù)水力錨有限元分析結(jié)果對比3.1 12齒數(shù)水力錨分析結(jié)果為了更好的分析水力錨齒面的力學(xué)性能，建立不同齒數(shù)的水力錨分析其結(jié)果。在其他參數(shù)條件不變的情況下，本文建立12齒數(shù)

6、的水力錨，包括水力錨齒面的角度都與上一個6齒模型相同，在35mpa內(nèi)壓作用下，錨爪向外擴(kuò)張與套管接觸，分析結(jié)果如圖5所示。根據(jù)分析結(jié)果，水力錨爪與套管接觸產(chǎn)生應(yīng)力，錨爪的最大應(yīng)力為811.7mpa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在水力錨爪的上下兩端齒面上，中間部分的齒面的應(yīng)力主要集中在水力錨爪的內(nèi)側(cè)，這是由于（水力錨在內(nèi)壓作用下，與套管接觸產(chǎn)生變形，錨爪齒面弧度與套管弧度不同，接觸點(diǎn)不同，從而應(yīng)力分布不均勻。錨爪最大應(yīng)力為811.7mpa，已經(jīng)超過了p110鋼材的屈服強(qiáng)度，此時產(chǎn)生塑性變形，此時，套管和錨爪就會有損傷，同時也會對該處套管的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。3.2 兩種水力錨的分析結(jié)果對比6齒數(shù)水力錨的最大應(yīng)力為60

7、8.7mpa，12齒數(shù)的水力錨最大應(yīng)力811.7mpa，略高于p110套管的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力越高，水力錨與套管接觸效果越好，咬入套管越深，但是，811.7mpa已經(jīng)超過了p110鋼材的屈服強(qiáng)度，此時產(chǎn)生塑性變形，套管和水力錨變形不可恢復(fù)，套管的強(qiáng)度會受到影響，影響安全性。那么從施工安全性來講6齒數(shù)的水力錨要高于12齒數(shù)。兩種水力錨的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在水力錨上下兩端的齒面上，水力錨的中間齒面長，兩端齒面短，所以水力錨的齒面越短受到的應(yīng)力越大。水力錨爪齒面有弧度，套管也有弧度，水力錨爪在內(nèi)壓作用下會產(chǎn)生彈性形變，兩端齒面的變形較小，所以齒面與套管接觸良好，此時受力最大。中間部分的錨爪齒面的變形不均勻，

8、接觸也不均勻，某些部分尚未接觸，所以中間部分的應(yīng)力比較小。兩種水力錨的接觸應(yīng)力都出現(xiàn)在沿軸線方向的內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)應(yīng)力明顯高于外側(cè)應(yīng)力。水力錨爪在內(nèi)壓作用下變形，弧度也相應(yīng)的改變，錨爪內(nèi)側(cè)由于預(yù)留彈簧壓板的位置，所以中間部分的變形要大于兩側(cè)，內(nèi)側(cè)與套管接觸，外側(cè)有的區(qū)域尚未接觸，所以內(nèi)側(cè)的應(yīng)力明顯高于兩側(cè)的應(yīng)力。在油田施工作業(yè)過程中，水力錨主要起錨固的作用，固定其它井下工具，對于油田的安全生產(chǎn)有著重要意義。不同齒數(shù)的水力錨與套管接觸時的力學(xué)規(guī)律基本一致，但是不同的水力錨對套管的力是不同的。12齒數(shù)的水力錨的最大應(yīng)力高于6齒數(shù)的水力錨，也超過了p110鋼材的屈服極限，但是在水力錨工作過程中，基本上不會

9、在同一個地方進(jìn)行錨固，應(yīng)力越大，咬入越深，對于水力錨的可靠性來講，12齒數(shù)的水力錨高于6齒數(shù)水力錨。合理選擇齒數(shù)對于讓應(yīng)力分布更加均勻有著重要的意義，根據(jù)分析結(jié)果，水力錨在工作過程中，由于力的作用導(dǎo)致變形，外側(cè)區(qū)域與套管沒有接觸，那么其他部分的力必然是比較大的，通過選擇合理的齒數(shù)和齒面弧度則可以讓齒面與套管充分接觸，此時應(yīng)力分布比較均勻，也提高了水力錨的工作壽命，提高了生產(chǎn)安全性。4 結(jié)論本文以油田常用的水力錨為研究對象，運(yùn)用proe和ansys workbench軟件建立三維有限元模型，對35mpa內(nèi)壓下水力錨爪的應(yīng)力進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：（1）水力錨爪的應(yīng)力主要集中在水力錨爪齒面上，局部會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在35mpa內(nèi)壓下，最大應(yīng)力為608.7mpa；（2）水力錨爪齒面與套管內(nèi)側(cè)的弧度相同時，水力錨爪受力比較均勻，可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時水力錨和套管的變形為彈性變形；（3）水力錨齒數(shù)越多，水力錨應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力越大，選擇齒數(shù)合理的水力錨可以在保證施工作業(yè)安全的情況下減少應(yīng)力集中現(xiàn)象?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1劉汝福，王隆慧，韓進(jìn)，等.水力錨對套管損傷數(shù)值