隨鉆中子測井儀機械強度計算方法研究

畢新帥 吳 丹

(1.山東勝利偉業石油工程技術服務有限公司 山東東營) (2.中國石油大學地球資源與信息學院 山東青島)

隨鉆中子測井儀機械強度計算方法研究

畢新帥1吳 丹2

(1.山東勝利偉業石油工程技術服務有限公司 山東東營) (2.中國石油大學地球資源與信息學院 山東青島)

鑒于隨鉆測井(LWD)對于隨鉆測井儀器的機械強度的要求,文章研究了隨鉆中子儀器的機械強度,利用SOLIDWORKS、ANSYS等軟件建立并分析隨鉆中子儀器模型,通過改變幾種不同參數中子源倉凹槽的深度、長度等,模擬計算出了中子儀器在受到拉力、壓力、扭矩作用時的源倉凹槽部分的等效應力分布圖以及受到的最大應力集中值。

隨鉆中子測井儀器;源倉凹槽;應力集中;等效應力

0 引 言

隨鉆測井作為一種具有地質導向優勢的測井方法,近年來在油田勘探和開發中發揮著日益重要的作用。在隨鉆測井中,隨鉆中子測井也是必不可少的一種方法[1]。

隨鉆測井儀器在井眼中承受的載荷非常復雜,特別是在凹槽部分、接頭部分等,同時承受內壓、外壓、軸向載荷、彎曲載荷和扭矩的作用,而在鉆進過程中還承受著動載的作用。在復雜載荷作用下,測井儀器發生斷裂失效是普遍存在的問題[2]。

隨鉆中子測井儀的源倉凹槽部分由于發生了尺寸以及結構上的變化,在承受拉力、壓力、扭矩作用時,必然產生應力集中[3],當最大應力值大于機械材料所能承受的值時,必然出現斷裂等現象。可見,源倉凹槽參數的不同,必然影響著應力分布的不同,也就影響著最大應力值。

1 研究內容與方法

隨鉆中子儀器外殼結構比較簡單,只有源倉凹槽部分產生了結構和形狀上的突變,最大應力值必然產生于此,故本文利用SOLIDWORKS依據常規鉆鋌的參數建立多個隨鉆中子測井儀器源倉凹槽部分的模型,如圖1所示。改變中子源倉凹槽的長度、深度等參數,導入ANSYS軟件,分別在軸向上施加拉力(壓力),在切向上施加扭矩,進而計算出最大正應力和最大切應力的值。

圖1 隨鉆中子測井儀器源倉凹槽部分模型

1.1 建立模型

利用SOLIDWORKS軟件建立模型參數為:外徑D=215 mm,內徑d=75 mm,首先取源倉凹槽長L=180 mm,改變深度分別為h=18、20、22、24、26 mm;另外取深度為h=18 mm,槽長為L=150、180、200 mm。為了減小應力,在凹槽連接處,均設置r=5 mm過渡弧。

1.2 ANSYS軟件模擬計算

ANSYS軟件主要包括三個功能模塊:前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊,目前最新版本為ANSYS12.1。

我們在軟件中依據實際的材料參數,設置計算模型材料的泊松比等參數,所加軸向拉力(壓力)為F=100 kN,切向扭轉力為F=40 kN,分別模擬計算了最大正應力值和最大切應力值。

2 研究結果

2.1 深度對兩種應力分布的影響

圖2、圖3,分別是源倉凹槽長度L=180 mm,深度h=18 mm的等效正應力和等效切應力分布圖。

圖2 中子儀器源倉凹槽模型等效正應力分布圖

圖3 中子儀器源倉凹槽模型等效切應力分布圖

其它計算結果類似,因此,我們得到源倉凹槽不同深度下的的最大正應力值和最大切應力值,如表1所示。由數據得到凹槽最大正應力、最大切應力隨深度變化曲線,可以得出,隨著凹槽深度的變化,最大應力值逐漸增大,深度達到26 mm時,最大切應力為235 MPa。

表1 中子源倉凹槽不同深度的最大正應力值和最大切應力值對應數據表

2.2 凹槽長度對兩種應力分布的影響

表2即為中子源倉凹槽深度為h=18 mm時,長度L不同,最大正應力與最大切應力的數據表。同樣得到凹槽最大應力值隨凹槽長度變化曲線如圖4所示。所得到凹槽長度對最大應力值影響不大。

表2 中子源倉凹槽不同長度的最大正應力值和最大切應力值對應數據表

圖4 凹槽最大正應力、最大切應力隨深度變化曲線

3 結 論

隨鉆中子測井儀器受到軸向拉力(壓力),以及扭轉力矩時,會在源倉凹槽部位產生應力集中,出現最大應力集中值;源倉凹槽深度逐漸加大,最大正應力值與最大切應力值均逐漸增大,凹槽長度對兩種應力最大值影響不大;通過改變源倉凹槽部分各項參數,得到一系列數據,可為中子源倉挖槽時的設計服務。實踐證明利用此方法研究隨鉆中子儀器機械強度是可行的。

[1] 張辛耘,王敬農,郭彥軍.鉆測井技術進展和發展趨勢[J].測井技術,2006,30(1)

[2] 陳 勇,林元華,付建紅.鉆鋌螺紋的有限元分析及應力分散槽優化設計[J].國外油田工程,2004,20(11)

[3] R.J.羅克,W.C.楊.應力應變公式(第一版)[M].北京:中國建筑工業出版社,1983

Study of the calculation method of the mechanical strength of neutron logging while drilling tools.

Bi Xinshuai and Wu Dan.

In this paper,the mechanical strength of neutron logging while drilling tools is studied.By using SOLIDWORKS,ANSYS and other software,the model of neutron logging while drilling tools is created and analyzed.By changing the depth,length,etc.of different neutron source cave slots,we compute the equivalent stress distribution and the maximum stress concentration of source cave slots under tension,pressure and torque source.

neutron logging while drilling;source cave slots;stress concentration;equivalent stress

P631.8+3

B

1004-9134(2011)03-0014-02

畢新帥,男,1987生,2010年畢業于中國石油大學物理科學與技術學院,現在山東勝利偉業石油工程技術服務有限公司工作。郵編:257061

2010-12-13編輯劉雅銘)

PI,2011,25(3):14～15

·開發設計·