0 引言
封隔器是在井筒中把不同的油层和水层封隔并承受一定压差的井下工具,卡瓦是封隔器实现悬挂功能的关键组成元件。在坐封载荷作用下,通过卡瓦与锥体的接触锥面将轴向坐封力转换为卡瓦的径向推动力,当达到预定坐封载荷时,卡瓦牙咬入套管内壁,从而实现卡瓦顺利锚定套管,承担封隔器等井下管柱的重力[1]。根据现有常规封隔器的使用发现,常规锚定机构在使用过程中存在锚定力不均匀,接触形态不稳定,卡瓦对套管内表面损伤严重等问题,因此,优化卡瓦形态结构对封隔器正常作业至关重要。
影响卡瓦与套管表面接触应力的因素很多,包括基体材质、表面硬度、卡瓦锥面锥角、卡瓦包角、卡瓦牙数量和牙型角等。笔者运用有限元数值模拟的方法研究卡瓦锚定性能,模拟出卡瓦与套管的接触区域应力分布图与变化趋势,依据该分析结果对现有卡瓦结构进行调整,提供一种对套管损伤较小的微牙痕卡瓦结构设计[2-4]。
1 卡瓦接触有限元分析 1.1 模型建立封隔器锚定机构总成主要由芯轴、锥体和卡瓦组成,其结构见图 1。封隔器坐封时,在外加载荷作用下通过卡瓦与锥体的接触面推动卡瓦径向移动,当达到预定坐封载荷时,卡瓦牙咬入套管内壁,根据图 1中封隔器总成结构形式建立静力学分析模型,运用SoildWorks Simulation分析模块进行卡瓦与套管的接触区域应力分布与变化趋势模拟分析[5-6]。
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| 图 1 封隔器锚定机构总成 Fig.1 Packer anchoring mechanism assembly 1—套管;2—锥体;3—卡瓦;4—芯轴。 |
1.2 边界条件设置
根据封隔器实际运动轨迹及卡瓦的受力特点,采用圆周均匀分布的设计方案,将卡瓦模型沿轴向划分为均匀的12部分,对卡瓦进行弹塑性接触有限元分析。SoildWorks Simulation模拟边界设定为:①卡瓦有限元模型采用Soild186单元;②求解器选择Ffeplus(P);③连接形式选择面面接触无穿透;④芯轴和套管采用固定约束,其余采用圆周对称控制运动位移方式[2]。为分析卡瓦不同设计参数对套管的影响,分别研究了牙型角、卡瓦牙数量以及牙顶外径等设计参数变化对套管应力的影响规律,在此基础上对卡瓦进行几何结构优化。
1.3 卡瓦有限元接触分析[7-10] 1.3.1 调整牙型角评价卡瓦与套管的应力分布卡瓦牙型角为90°时的应力云图如图 2所示,卡瓦牙型角分别为80°、90°和100°时卡瓦与套管的接触应力变化曲线如图 3所示。
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| 图 2 牙型角为90°时应力分布图 Fig.2 The stress distribution of packer and casing under the tooth angle of 90° |
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| 图 3 不同牙型角下卡瓦牙与套管接触应力分布及变化曲线 Fig.3 The contact stress distribution and variation curve of slip teeth with the casing |
比较不同牙型角对应区域的应力分布结果可以看出,在同样的外部工况下,卡瓦牙型角为80°、90°和100°时,卡瓦牙与套管之间的接触应力均从上至下依次减小。当卡瓦牙型角为90°时,卡瓦牙型角区域的接触应力最小;卡瓦牙型角为80°时,除第1牙外,其余卡瓦牙型角区域的接触应力比90°时小20~30 MPa;而牙型角为100°时,卡瓦牙型角区域的接触应力比90°时大20~130 MPa。
因此判断,在该外部工况下,不同牙型角对卡瓦应力影响不是太大,但牙型角为90°时卡瓦牙接触区域的接触应力最小,此时对套管内表面的损伤也最小。
1.3.2 变化卡瓦牙的数量评价卡瓦与套管的应力分布卡瓦牙型角为90°,牙数分别为4牙、5牙和7牙时卡瓦牙与套管之间的应力分布与变化曲线如图 4所示。
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| 图 4 不同牙数下卡瓦牙与套管接触应力分布及变化曲线 Fig.4 The contact stress distribution and variation curve of slip teeth with the casing under different numbers of teeth |
比较不同牙型角对应区域的应力分布结果可以看出,在同样的外部工况下,卡瓦牙个数为4牙时,牙型角对应区域的应力明显高于其余2种方案,对套管内壁的损伤也最大。但是卡瓦牙为5牙时,1号、2号和3号牙每个卡瓦牙附近的接触应力比较平稳,第4牙和5牙应力急剧下降。卡瓦牙为7牙时,1号、2号和3号牙每个卡瓦牙附近的接触应力比较平稳,从4牙和5牙应力急剧下降,6牙和7牙周边区域应力分布几乎很小,均小于100 MPa,基本没有承受载荷。可见,当卡瓦牙为4牙时卡瓦悬挂稳定性最好。
分析图 4c中3条曲线可知,当卡瓦牙为4牙时,各牙及套管周边的应力分布均匀度最好,但也呈现依次下降趋势。为了使各卡瓦牙受力进一步均匀,减少对套管的损伤,提供以下2个方案:①减小锥面锲形角,这样可以使椎体对卡瓦的作用力后移,有助于使各个齿受力均匀;②依次扩大每个牙顶的外径,使最后几个齿也能受力均匀。
1.3.3 扩大牙顶的外径后评价卡瓦与套管的应力分布卡瓦牙型角为90°,牙数为5牙,牙顶外径扩大后的应力云图如图 5所示。减小锥面锲形角后的应力曲线如图 6所示。
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| 图 5 牙顶外径依次扩大后的应力云图 Fig.5 Stress distribution under the successively expanded crest outer diameter |
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| 图 6 减小锥面锲形角后接触应力曲线 Fig.6 The contact stress curve after cone wedge angle is reduced |
当依次扩大每个牙顶的外径后,在同样的工况下,各牙及套管周边的应力分布均匀,应力分布下降趋势比较缓和,从而使各牙均匀地承载外部载荷,防止了卡瓦的单边翘起效应,更好地保护了套管内壁。
2 卡瓦牙与套管的接触试验按照理论分析结果,在天津渤海石油实验基地对重新设计的卡瓦牙进行了试验。现场采用139.7 mm(5 1/2in)套管井筒,套管内径118.6 mm/121.3 mm,套管钢级N80,卡瓦采用球墨铸铁(材质为QT-500),调质处理后硬度为HB245,卡瓦牙顶组织为回火马氏,高频淬火后硬度达到HRC45。
卡瓦材质为球墨铸铁,通过对材质进行试验,其屈服强度为688 MPa,抗拉强度为746 MPa,弹性模量为186 GPa,泊松比为0.3。卡瓦牙片数为6片,接触锥角为15°,卡瓦牙数为4牙,接触力为160 kN。对卡瓦牙与套管进行了咬合试验,试验参数如表 1所示。
| 套管直径/mm | 套管钢级 | 套管内径/mm | 卡瓦牙片数 | 接触锥角/(°) | 卡瓦牙数 |
| 139.7 | N80 | 118.6 | 6 | 15 | 4 |
| 139.7 | N80 | 121.3 | 6 | 15 | 4 |
取出卡瓦牙形态如图 7所示。套管咬痕如图 8所示。对比图 7与图 4a,并按照实际接触形态设置模拟参数,模拟结果与实际作用形态吻合,这表明上述模拟结果可靠,且对今后的现场应用具有指导意义。另外,取出的卡瓦牙两边与套管的接触不全面,边际存在未接触区域,影响咬合效果。对此,可通过适当减小卡瓦圆心角,增加卡瓦片数的方式来改善接触区域应力分布情况。
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| 图 7 卡瓦牙形态 Fig.7 Tooth shape of the slip |
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| 图 8 套管咬痕 Fig.8 Casing bite marks |
3 结论及建议
(1) 比较不同牙型角对应区域的应力分布结果可以看出,在同样的外部工况下,卡瓦牙型角设计为80°、90°和100°时,卡瓦牙套管区域的接触应力相差不大,且都呈现逐渐下降趋势,90°时的卡瓦牙套管接触应力最小,此时对套管损伤也最小。
(2) 当卡瓦牙为4牙时对应区域的应力最大,对套管内壁的损伤也最大。卡瓦牙为5牙和7牙时应力分布曲线呈下降趋势。
(3) 通过扩大每个牙顶的外径,可以使各牙及套管周边的应力分布均匀,同时使卡瓦稳定性增强,减少其对套管的损伤。 (4) 减小锥面锲形角可以使椎体对卡瓦的作用力后移,有助于使各个齿受力均匀。
(5) 通过以上分析,建议采取5牙卡瓦,接触锥角为12°的卡瓦形式更能确保稳定性与较小的套管损伤;另外,最后几个卡瓦牙上增加弹簧,提供辅助径向载荷,可保证与前几牙的同步性。研究结果可为卡瓦的结构修改及优化设计提供参考。
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