封隔器内卡瓦有限元分析及结构优选

边　杰，李英松，罗瑞振，李克鹏，崔光宇，周先军

(1.中海油田服务股份有限公司 完井中心，天津 300459；2.中原油田普光分公司，四川 达州 635001；

3.中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)①



封隔器内卡瓦有限元分析及结构优选

边杰1，李英松1，罗瑞振2，李克鹏3，崔光宇3，周先军3

(1.中海油田服务股份有限公司 完井中心，天津 300459；2.中原油田普光分公司，四川 达州 635001；

3.中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)①

摘要：内卡瓦作为封隔器的重要锚定锁紧工具，其性能直接影响封隔器的工作性能。为研究结构类型对内卡瓦力学性能的影响，以ø152.4 mm套管为例，设计了双面齿C型、双面齿型、C型及分瓣式4种内卡瓦锁紧结构，运用ANSYS有限元分析法建立了4种内卡瓦有限元模型，并进行相关分析计算，从力学性能角度进行了对比及结构优选。结果表明分瓣式内卡瓦的力学性能最优，为后续内卡瓦设计提供了理论参考。

关键词：封隔器；内卡瓦；有限元分析；结构优选

Finite Element Analysis & Structure Optimization on the Slip of Packers

BIAN Jie1，LI Yingsong1，LUO Ruizhen2，LI Kepeng3，CUI Guangyu3，ZHOU Xianjun3

(1.WellCompletionCenter，ChinaOilfieldServicesLtd.，Tianjin300459，China；2.PuguangBranch,ZhongyuanOilfield,Dazhou635001,China;3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

Abstract：As one of the important anchor lock tools in the packers，the working performance of the slips directly influences the packers’ performance.To study the structures effect on mechanical property of slips，taking casing as example，four slips locking mechanisms were designed：C type of double sided teeth，double sided teeth，C type and split type.Then，according to the structure of slips，ANSYS finite element technology was used to establish the model of slips，and a finite element analysis and calculation was carried out.The results were compared and optimized from the perspective of force loading，and the split type has the most optimal mechanical properties，providing a theoretical basis for subsequent design.

Keywords：packer；slip；finite element analysis；structure optimization water shutoff；tubing pump；packer；integrated pipe string

在油田开发中，封隔器是实施机械采油、分层注水、分层压裂或酸化、机械卡堵水等注采工艺作业的主要井下工具之一。封隔器上的锁紧机构锚定后起到支撑封隔器、锁定胶筒的作用，其性能直接影响到油井的产量和生产安全。以前的研究主要基于有限元分析软件对单个卡瓦结构进行应力分析，而较少针对多种锁紧形式下内卡瓦受力及应力分布情况进行深入对比分析。

1建立分析模型

目前，油田常用的内卡瓦类型主要有2种，一种是与活塞套、上滑动套配合工作的双面齿内卡瓦；另一种是与中心轴及压套配合工作的单面齿内卡瓦。内卡瓦的三维模型如图 1 所示。装配时，内卡瓦嵌套在活塞套(压套)内侧螺纹(凹槽)内，封隔器坐封时，上滑动套(内卡瓦)在油压载荷(弹簧推动力)作用下完成跳齿动作，实现内卡瓦的坐封锚定。坐封载荷撤掉后，双面齿(单面齿)内卡瓦通过螺纹配合进行锁紧，防止内卡瓦倒退，从而保证封隔器卡瓦的锚定效果。

a　双面齿内卡瓦

b　单面齿内卡瓦

1.1有限元模型

本文以ø152.4 mm套管为例，分别设计了双面齿C型、双面齿型、C型及分瓣式4种内卡瓦，并根据各内卡瓦的结构特点对4种内卡瓦结构进行了简化处理。采用具有塑性、蠕变、大变形等特点的SOLID95进行网格划分，TARGE170和CONTA174接触单元进行接触对创建，建立了上述4种内卡瓦的1/2、1/8、1/2及1/6接触有限元模型，如图2所示。

a　双面齿C型模型(1/2)

b　双面齿C型端面配合放大图

c　双面齿型内卡瓦模型(1/8)

d　C型内卡瓦模型(1/2)

e　C型内卡瓦端面配合放大图

f　分瓣式内卡瓦模型(1/6)

1.2材料属性设置

封隔器内卡瓦螺纹为三角螺纹，存在尖顶，在进行有限元分析时若只从弹性力学的角度分析，坐封后卡瓦齿尖会出现较大的应力集中，甚至可能产生破坏，这与实际情况不符。弹塑性有限元分析法能较好地解决上述问题，其分析结果更接近内卡瓦实际受力情况，故应用弹塑性有限元方法对内卡瓦进行应力分析，得到其应力应变分布规律。内卡瓦材料为20CrMnMo 、其余材料为42CrMo，材料的力学性能参数如表1所示。

表1　材料的力学性能参数

1.3约束条件

根据封隔器的实际工况，对有限元模型的边界条件进行如下的处理：

1)与内卡瓦相配合的上滑动套(压套)在工作过程中只能上下移动，因此在上滑动套(压套)上施加周向和径向位移约束。

2)在实际结构中，活塞套(中心轴)固定不动，对其施加全约束。

3)由于对4种内卡瓦及其配合的构件进行了对称简化处理，在剖面上施加对称约束。

4)据封隔器在工作过程中的受载情况，在上滑动套(压套)上施加均布锁紧载荷。

2分析结果

对4种内卡瓦均施加57.76 kN的锁紧载荷进行有限元分析，结果如图3所示。从图3可以看 出：双面齿C型、双面齿型、C型及分瓣式内卡瓦的最大应力值均位于内螺纹牙根部，其最大VonMises应力分别为116.35、165.76、325.45和109.65 MPa，均小于内卡瓦材料的屈服极限885 MPa，强度满足要求。在4种内卡瓦结构中，分瓣式内卡瓦应力值最小，安全系数最高。

上述应力云图不能准确反映在锁紧载荷下各螺纹沿周向及轴向的应力分布规律，无法对内卡瓦螺纹在受力情况下的力学性能优劣进行确切判断。为更加直观地对4种内卡瓦的力学性能进行分析，将4种内卡瓦螺纹节点应力沿周向及轴向绘制螺纹应力曲线。

a　双面齿C型内卡瓦

b　双面齿型内卡瓦

c　C型内卡瓦

1)内卡瓦螺纹沿周向应力分析。

内卡瓦各螺纹沿周向应力曲线分布如图4所示。

a　双面齿C型卡瓦内螺纹

b　双面齿型卡瓦内螺纹

c　C型内卡瓦

d　分瓣内卡瓦

曲线图中从第1圈开始分别代表4种卡瓦从最上端到最下的螺纹编号(下同)。图4中，双面齿C型与双面齿型内卡瓦配合形式相同，C型与分瓣式内卡瓦配合形式相同，为便于比较，将图4a与图4b、图4c与图4d进行对比。由图4a与图4b可知，双面齿内卡瓦从上到下各螺纹沿周向应力曲线较为平直，受力较均匀，而双面齿C型沿周向波动较大，呈中间低两头高的凹状分布，螺纹受力极不均匀，因此双面齿内卡瓦在两种卡瓦结构中较好。图4c中，C型内卡瓦沿周向应力曲线与双面齿C型内卡瓦相似受力不均。图4d中分瓣式内卡瓦螺纹应力曲线在周向上变化较为平滑，各螺纹沿周向受力较均匀，因此分瓣式内卡瓦在2种结构中更优。

2)内卡瓦螺纹沿轴向应力分析。

4种内卡瓦螺纹根部节点应力均值沿轴向自上而下的应力分布规律曲线如图5所示。

从图5知，双面齿C型内卡瓦从最上端到最下端的过程中，螺纹节点应力均值总体逐渐减小，最大应力差为25 MPa。双面齿型内卡瓦螺纹牙应力最大值位于上端配合第6齿上，从第6齿往两侧应力值逐渐减小，呈中间高两端低单峰分布，应力最大差值为35 MPa。C型内卡瓦螺纹最大应力均值亦在第6齿上，从上往下内卡瓦螺纹根部应力均值先增大后减小，呈中间高两端低的单峰分布，最大应力差较大，为150 MPa左右。分瓣式内卡瓦应力最大值位于最下端齿上，第3和第4齿应力次之，从最上端到最下端过程中，应力值先增大后减小再增大，最大应力差值为20 MPa左右。对上述4种内卡瓦沿轴向分布规律分析知，分瓣式内卡瓦沿轴向应力差最小，在4种内卡瓦中沿轴向受力效果较好。

a　双面齿C型内卡瓦内螺纹根部应力均值

b　分瓣式内卡瓦内螺纹根部节点应力均值

c　C型卡瓦螺纹根部节点应力均值

d　分瓣卡瓦螺纹根部节点应力均值

3结论

1)在相同外部条件下，分瓣式内卡瓦产生的应力值最小，安全系数最高，沿周向及轴向受力更均匀。单面齿卡瓦在加工时较双面齿更容易，在4种内卡瓦中力学性能较好，为优选结构。

2)C型及双面齿C型内卡瓦在锁紧过程中沿周向受力极不均匀，主要原因是内卡瓦沿周向配合长度较大，在受力过程中卡瓦变形难易程度不一所致。在装配条件允许的情况下建议进行适当开口处理，降低每个螺纹沿周向的配合长度。

3)在4种内卡瓦中，分瓣式内卡瓦的力学性能虽然最好，但其在轴向螺纹应力分布上还存在不均匀现象，在后续分析中需对分瓣式内卡瓦进行进一步参数优化研究。

参考文献：

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[5]陈若铭，陈森强，王新东，等.套管头卡瓦力学分析[J].石油矿场机械，2011，40(5)：10-13.integration technology is studied， through which the pressure transmission pipe pump and the hydraulic throwing hand tool is developed.Then，the integration of plugging and production strings is realized，which is of obvious economic significance because they simplify the structure of tools and cut the construction time.

中图分类号：TE931.202

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.016

作者简介：边杰(1985-)，女，天津人，工程师，主要从事完井工具设计工作，E-mail：bianjie2@cosl.com.cn。

收稿日期：①2015-07-31

文章编号：1001-3482(2016)02-0072-05