基于ABAQUS的整体式弹性扶正器设计方法研究

刘　明，李富平，徐　飞，徐　星

(中国石化石油工程技术研究院 德州大陆架石油工程技术有限公司，山东 德州 253005)①



基于ABAQUS的整体式弹性扶正器设计方法研究

刘明，李富平，徐飞，徐星

(中国石化石油工程技术研究院 德州大陆架石油工程技术有限公司，山东 德州 253005)①

整体式弹性套管扶正器以其一体式成型结构特点，较常规弹性套管扶正器具有复位力大、起动力极小、适应性强、入井过程不易破碎、过流面积大等优点，逐渐得到广泛应用。根据整体式扶正器的结构特点，初步确定了扶正器弓形片的设计计算理论；并基于ABAQUS的有限元分析方法对扶正器弓形片的宽度、跨度和截面形状等因素对扶正性能的影响进行了研究。通过试制和性能检测验证了设计方法的可行性，为整体式弹性扶正器的设计提供了理论参考。

扶正器；设计理论；有限元

随着钻井技术的发展与进步，大斜度井、水平井与小间隙井越来越多，从而给固井技术带来了很多困难。常规的弹性套管扶正器难以满足复杂的井况需求[1]，主要体现在：扶正器外径大于井眼内径，导致起动力偏大，增大套管串下入困难；扶正器结构刚性较差，容易发生破碎；水平井内扶正器复位力小，无法满足套管居中要求等缺点。整体式弹性套管扶正器以其特殊的结构及工艺特点，能够克服现有扶正器缺点，同时有效地保证了套管串在固井作业时的居中程度，进而提高了各种复杂固井作业的固井质量。然而对于整体式弹性扶正器的设计一直没有可靠的理论支撑，因此有必要通过对扶正器结构的各项参数进行研究，形成一套可靠地设计方法。

1　结构特点

整体式弹性套管扶正器由环箍、弓片2部分组成，如图1所示。

整体式弹性套管扶正器由一整块原料加工而成，扶正器弓片在圆周上均匀分布，每个弓片两端与扶正器环箍连接；扶正器弓片根据弹簧的原理设计。与常规弹性扶正器相比，整体式弹性套管扶正器具有如下特点：

1)外径小于等于井眼尺寸。起动力极小、整体刚性大、复位力强、扶正效果好。

2)扶正器弓片具有一定可压缩性，能够适应缩径等复杂井况。应用范围广、适应性强。

3)扶正器由整块原料加工而成，无焊接和铰接结构，下入过程中不易破碎。

4)扶正器环箍较常规弹性扶正器截面积小，有利于过流。

图1　整体式套管扶正器结构

2　力学模型

整体式扶正器的内径由适用套管规格所决定，外径尺寸要求等于或略小于井眼尺寸，因此扶正器弓片的厚度、宽度、弓片跨度和截面形状是整体扶正器的设计关键。扶正器弓片是根据弹簧的原理设计的，其工作时弓片受压，因此弓片弹性性能好坏及弓片的强度是否足够，是评定整个扶正器性能的关键。由于扶正器在井下的受力复杂，因此需要分析扶正器单片弓片的受力模型，找到其变形规律，然后考虑多弓片对于扶正器整体受力的影响，最终获得扶正器整机的力学模型。

2.1弓片应力与外力关系

在井下，弓片受到的力在一定范围内是连续分布的。为了简化计算，将连续变化的分布力假设为一集中力F。由于扶正器在现场应用时，两端是自由的，因此假设弓片受集中力F作用时，两端是可自由延伸的。简化后的弓片受力模型如图2所示。

图2中，曲线AB代表弓片，F为集中力，两端反力为F/2。由于弓片曲率很小，且弓片的厚度相对于其弓片弯曲半径很小，所以可近似的按直杆计算。

在AB上取一截面，截面处的受力如图2b。则任意截面处的应力为[2-3]

(1)

当x=l/2时，最大应力为

(2)

a　受力模型

b　截面

2.2弓片的压缩变形量与外力关系

假设弓片在外力F作用下，压缩变形量为D，由卡氏定理[2]得：

(3)

(4)

(5)

式中：E为弓片材料的弹性模量，MPa；b为弓片的宽度，mm；h为弓片的厚度，mm；l为弓片的跨度(悬臂长度)，mm；D1为弓片收压缩的距离，mm；F1为复位力，N。

2.3扶正器复位力及起动力计算

扶正器的弓片受压时，其余各弓片通过扶正器两端圆箍同样会产生类似的受压变形，整个扶正器此时的复位力约等于所有弓片复位力之和，即

Fn=n·F1

(6)

式中：Fn为扶正器复位力，N；n为扶正器弓片数量。

当扶正器外径等于井眼内径时，起动力为0；当扶正器外径略大于井眼内径时，起动力F2可按照胡克定律进行简化计算。

(7)式中：F2为扶正器起动力，N；μ为弓片与井壁的摩擦因数；p为弓片下入井眼后(未径向偏移)的径向压力，MPa；D2为扶正器外径与井眼的半径差值，mm。

3　有限元优化与设计

采用基于ABAQUS软件的有限元数值模拟[4-5]技术对弓片结构进行了数值模拟和优化，并分析所设计的扶正器性能。

3.1弓片结构寻优

根据扶正器理论设计时确定的影响扶正器弓片性能的主要因素弓跨度、弓片宽度、截面形状分别建模，进行有限元分析，通过弓片应力及复位力完成弓片结构的优化。

图3　扶正器弓片有限元模型

图4扶正器弓片边界条件和载荷定义

使用ABAQUS软件对弓片进行有限元计算，其弓片应力云图如图5所示。弓片最大应力为413 MPa，出现在弓片与平直段圆弧过渡处，此处在弓片受压过程中产生较大的弯折变形，因此为应力集中处。最大应力小于65 Mn材质的屈服强度780 MPa。

图5　扶正器弓片受压载荷状态下应力云图

通过RP1点提取扶正器弓片在压到指定高度情况下其弓片产生的复位力数值。针对本模型分析得出单一弓片在受到API10D标准要求指定偏移的压缩量下所产生的反作用力为1 331.5 N，其反作用力随压缩距离变化曲线如图6所示。

图6　扶正器弓片反作用力随压缩距离变化曲线

通过该分析方法，计算各型弓片受压反作用力，如表1所示。

表1　各型弓片受压反作用力

由表1可知，弓片宽度增大有助于提高弓片受压时产生的反作用力；弓片截面弧形比矩形有助于提高弓片受压时产生的反作用力；弓片跨度变小有助于提高弓片受压时产生的反作用力。弓片宽度和跨度的影响趋势与式(5)结论相一致。

3.2有限元辅助设计

图7　扶正器有限元模型

图8　扶正器模型边界和载荷条件

图9　扶正器模型压力载荷下应力云图

4　性能测试

根据扶正器优化尺寸，完成了整体式套管扶正器制造，如图10所示。根据API 10D[6](ISO 10427-1-2001/ GBT 19831.1―2005)对弓形弹性套管扶正器的性能检测要求，使用扶正器性能万能检测机，对其起动力、复位力进行测试。性能试验结果：扶正器未产生物理损坏；扶正器最大起动力274 N，最小复位力6 363 N，2项指标符合标准要求。试验检测所得复位力6 363 N，位于理论计算值2 802.7 N与有限元分析值8 762.2 N之间，可以看出有限元分析辅助扶正器设计的准确性更高。

图10　整体式套管扶正器

5　结语

本文分析了整体式套管扶正器的结构特点及性能优点，对扶正器弓形设计进行了深入的理论分析，推导出扶正器复位力简化理论设计计算公式。基于ABAQUS有限元软件对扶正器弓片结构进行优化和整体复位力模拟计算。通过对所优化设计的整体式套管扶正器进行样机试制，并检测了其最大起动力和最小复位力，验证了理论计算和有限元模拟辅助设计对扶正器设计的有效性和正确性，为整体式扶正器的设计提供了理论支撑。

[1]杨启贞.在水平井、大位移井中选用合适的套管扶正器[J].石油钻采工艺，2000 (4)：37-39 .

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]冯维明.理论力学[M].北京：国防工业出版社，2006.

[4]石亦平.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5]庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005.

[6]API Spec 10D Sixth Edition，Specification for Bow-Spring Casing Centralizers[S].2002.

Research on Design Method of Monolithic Bow Spring Centralizer Based on ABAQUS

LIU Ming，LI Fuping，XU Fei，XU Xing

(Dezhou Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.，Ltd.，ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Dezhou253005，China)

Monolithic bow spring centralizer has one-piece construction，which ensures more flexibility，stranger standoff capability，zero start and running forces and bigger flow area.So it is being widely used in recent years.The design method based on the structural characteristics of centralizer is firstly given，and then finite element analysis is used to find the influence of centralizer performance such as width，sectional shape and length of spring.Finally，the test of performance of centralizer which is designed with this method proved the design theory in this paper is available.

centralizer；design theory；finite element analysis

1001-3482(2016)10-0007-04

2016-04-06

刘明(1987-)，男，工程师，硕士，现从事石油井下固完井工具的研发，E-mail：lium@shelfoil.com。

TE925.2

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.002