水力錨力學性能分析

楊浩　李明飛　曹銀萍　秦彥斌

【摘 要】水力錨在油田應用中作用廣泛，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。本文運用ProE和ANSYS軟件建立水力錨——套管三維有限元模型，在內壓作用下，錨爪向外伸出與套管接觸，對其進行有限元分析，得到應力云圖。分析結果表明：水力錨爪的應力主要集中在水力錨爪齒面上，局部會出現應力集中現象，最大應力為608.7MPa；水力錨爪齒面與套管內側的弧度相同時，水力錨爪受力比較均勻，可以減少應力集中現象，此時水力錨和套管的變形為彈性變形。水力錨齒數越多，水力錨應力集中點的應力越大，選擇齒數合理的水力錨可以提高安全性。

【關鍵詞】水力錨；有限元；力學性能

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中油管所受的拉力或壓力。在內壓作用下，水力錨錨爪向外伸出，卡緊套管內壁，實現錨定動作。當油套壓力平衡后，錨爪在擋板內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重要，本文主要用ANSYS有限元軟件對水力錨進行模擬，根據分析結果對水力錨進行分析。

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，內壓作用下，錨爪向外伸出咬入套管錨定。內壓卸掉，錨爪收回解出錨定。運用ProE軟件進行三維建模，導入ANSYS Workbench軟件之中，考慮到封隔器是對稱圖形，為了減少計算量，在建立模型時，將套管沿過軸線的一個剖面剖開，建立一個爪與套管接觸模型進行分析。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 設置材料屬性

ANSYS在計算過程中要設置材料屬性，套管選擇P110剛級鋼材，其材料參數如表1所示：

1.3 設置接觸屬性

水力錨在工作過程中，錨爪與套管接觸，在有限元計算過程中要設置接觸對。錨爪與套管接觸，水力錨爪齒面為接觸面，套管為目標面，接觸類型選擇摩擦接觸（Frictional），摩擦系數設置為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，運用fix support工具固定住套管，對水力錨爪加內壓，內壓為35MPa。在內壓作用下，錨爪沿徑向向外運動，水力錨爪向外伸出與套管接觸。

2 有限元分析結果

對水力錨施加35MPa的壓力，水力錨爪與套管接觸，分析結果如圖4所示：

在35MPa內壓作用下，水力錨爪與套管接觸，水力錨爪的最大應力為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，各個齒面的各個點的接觸情況都不一樣，所以存在應力不均勻現象，應力集中主要出現在兩端齒面，在該齒面出現應力集中現象。P110套管的屈服強度為758MPa，水力錨爪的最大應力為608.7MPa，低于套管的屈服強度，套管和水力錨爪只產生彈性變形。應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，可以最大程度減少水力錨爪應力集中現象。根據分析結果可知，水力錨爪的應力主要集中在上下兩端的齒面，中間部分的齒面應力較小。在中間4個水力錨齒上，應力主要是集中在內側，內側的應力明顯高于外側應力，這是由于內側變形比較大，外側變形比較小引起的，應力不均衡會導致應力較大的齒面的壽命減少。

3 不同齒數水力錨有限元分析結果對比

3.1 12齒數水力錨分析結果

為了更好的分析水力錨齒面的力學性能，建立不同齒數的水力錨分析其結果。在其他參數條件不變的情況下，本文建立12齒數的水力錨，包括水力錨齒面的角度都與上一個6齒模型相同，在35MPa內壓作用下，錨爪向外擴張與套管接觸，分析結果如圖5所示。

根據分析結果，水力錨爪與套管接觸產生應力，錨爪的最大應力為811.7MPa。最大應力出現在水力錨爪的上下兩端齒面上，中間部分的齒面的應力主要集中在水力錨爪的內側，這是由于（水力錨在內壓作用下，與套管接觸產生變形，錨爪齒面弧度與套管弧度不同，接觸點不同，從而應力分布不均勻。錨爪最大應力為811.7MPa，已經超過了P110鋼材的屈服強度，此時產生塑性變形，此時，套管和錨爪就會有損傷，同時也會對該處套管的強度產生影響。

3.2 兩種水力錨的分析結果對比

6齒數水力錨的最大應力為608.7MPa，12齒數的水力錨最大應力811.7MPa，略高于P110套管的屈服強度，應力越高，水力錨與套管接觸效果越好，咬入套管越深，但是，811.7MPa已經超過了P110鋼材的屈服強度，此時產生塑性變形，套管和水力錨變形不可恢復，套管的強度會受到影響，影響安全性。那么從施工安全性來講6齒數的水力錨要高于12齒數。

兩種水力錨的最大應力都出現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力越大。水力錨爪齒面有弧度，套管也有弧度，水力錨爪在內壓作用下會產生彈性形變，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，所以中間部分的應力比較小。

兩種水力錨的接觸應力都出現在沿軸線方向的內側，內側應力明顯高于外側應力。水力錨爪在內壓作用下變形，弧度也相應的改變，錨爪內側由于預留彈簧壓板的位置，所以中間部分的變形要大于兩側，內側與套管接觸，外側有的區域尚未接觸，所以內側的應力明顯高于兩側的應力。

在油田施工作業過程中，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有著重要意義。不同齒數的水力錨與套管接觸時的力學規律基本一致，但是不同的水力錨對套管的力是不同的。12齒數的水力錨的最大應力高于6齒數的水力錨，也超過了P110鋼材的屈服極限，但是在水力錨工作過程中，基本上不會在同一個地方進行錨固，應力越大，咬入越深，對于水力錨的可靠性來講，12齒數的水力錨高于6齒數水力錨。合理選擇齒數對于讓應力分布更加均勻有著重要的意義，根據分析結果，水力錨在工作過程中，由于力的作用導致變形，外側區域與套管沒有接觸，那么其他部分的力必然是比較大的，通過選擇合理的齒數和齒面弧度則可以讓齒面與套管充分接觸，此時應力分布比較均勻，也提高了水力錨的工作壽命，提高了生產安全性。

4 結論

本文以油田常用的水力錨為研究對象，運用ProE和ANSYS Workbench軟件建立三維有限元模型，對35MPa內壓下水力錨爪的應力進行分析，分析結果表明：

（1）水力錨爪的應力主要集中在水力錨爪齒面上，局部會出現應力集中現象，在35MPa內壓下，最大應力為608.7MPa；

（2）水力錨爪齒面與套管內側的弧度相同時，水力錨爪受力比較均勻，可以減少應力集中現象，此時水力錨和套管的變形為彈性變形；

（3）水力錨齒數越多，水力錨應力集中點的應力越大，選擇齒數合理的水力錨可以在保證施工作業安全的情況下減少應力集中現象。

【參考文獻】

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[責任編輯：王楠]