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(huì)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(shí)，水力錨爪受力比較均勻，可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)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)的應(yīng)力越大，選擇齒數(shù)合理的水力錨可以提高安全性。

【關(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(dòng)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(shí)，將套管沿過軸線的一個(gè)剖面剖開，建立一個(gè)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)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(dòng)，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(dòng)，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(gè)齒面的各個(gè)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(shí)，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(gè)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(huì)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)的水力錨，包括水力錨齒面的角度都與上一個(gè)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(shí)產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)，套管和錨爪就會(huì)有損傷，同時(shí)也會(huì)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608.7MPa，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(shí)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(huì)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(huì)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(shí)受力最大。中間部分的錨爪齒面的變形不均勻，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(shí)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(huì)在同一個(gè)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(shí)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(huì)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(shí)，水力錨爪受力比較均勻，可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)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。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]