施斌全

(中石化勝利油田鉆井工藝研究院 山東東營(yíng))

隨鉆密度儀器在扭-壓荷載下的強(qiáng)度分析

施斌全

(中石化勝利油田鉆井工藝研究院 山東東營(yíng))

以固體力學(xué)有限元理論為基礎(chǔ),建立了隨鉆密度儀器強(qiáng)度分析的三維有限元力學(xué)模型,求解并得到了在施加鉆壓、扭矩后的應(yīng)力場(chǎng);研究了隨鉆密度儀器的變形和應(yīng)力分布規(guī)律,為儀器安全使用和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

隨鉆密度儀器;扭-壓荷載;強(qiáng)度分析

0 引 言

在隨鉆密度儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,儀器機(jī)械部分的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的工作。隨鉆密度儀器是在密度鉆鋌圓柱面上加工出U形槽,將密度測(cè)量探頭裝入抗壓筒內(nèi),安裝在U形槽內(nèi),測(cè)量由放射源發(fā)射的經(jīng)地層散射后的射線。由于密度探測(cè)器尺寸及安全、防震、導(dǎo)流等要求,鉆鋌上U形槽的尺寸有嚴(yán)格限制,因此要求對(duì)放置探測(cè)器的隨鉆密度儀器的鉆鋌本體進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,選擇合適的鉆鋌材料。本文利用ANSYS軟件,建立隨鉆密度儀器簡(jiǎn)單的計(jì)算模型,進(jìn)行扭-壓載荷下的仿真模擬,并得出一些有益的結(jié)論。

1 隨鉆密度儀的計(jì)算模型

圖1 隨鉆密度儀器

將隨鉆密度儀器鉆鋌本體作為研究對(duì)象,如圖1所示,隨鉆密度儀器是在鉆鋌圓柱面上加工三翼型扶正器,在其中一個(gè)扶正器內(nèi)加工U形槽,將密度測(cè)量探頭裝入密度測(cè)量模塊抗壓筒內(nèi),安裝在扶正器的U形槽內(nèi)。鉆鋌中有泥漿通道,泥漿通過(guò)鉆頭的水眼流出,然后經(jīng)過(guò)鉆鋌與地層之間的環(huán)形空間返回井口。泥漿不僅攜帶出巖屑,而且還作為井下信號(hào)的傳輸介質(zhì),密度測(cè)量值通過(guò)泥漿以壓力波為載體傳到地面。由于密度探測(cè)器尺寸及安全、防震、導(dǎo)流等要求,鉆鋌上U形槽的尺寸有嚴(yán)格限制。利用實(shí)體建模技術(shù),生成實(shí)體模型,然后對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格的方法生成有限元分析模型。其中與鉆頭連接的上端面作為固定端處理,并作為零位移約束條件;與鉆頭連接的下端面可自由變形,鉆壓、扭矩作用在下端面上。

考慮到隨鉆測(cè)量?jī)x器的受力主要是由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力[1],因此在這里以第四強(qiáng)度理論(Vonmises八面體剪應(yīng)力準(zhǔn)則)為依據(jù),并遵循Mesis準(zhǔn)則的4個(gè)假定:各向同性;與靜水壓無(wú)關(guān);單向拉、壓屈服應(yīng)力相同;屈服面為凸形[2]。

2 在ANSYS中正確地施加扭矩

在機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析中,鉆壓的施加比較簡(jiǎn)單,而如何正確施加扭矩在實(shí)際操作中比較困難。

扭矩,實(shí)際上就是力學(xué)里面力矩。如果有大小相等,作用方向相反但不在一條直線上的兩個(gè)力,這兩個(gè)力的合成效果就是一個(gè)力矩M,它使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形趨勢(shì)。力矩M的大小等于力F乘以兩個(gè)平行力之間的垂直距離h,M=F×h,如圖2所示。

圖2 力矩示意圖

如果給定了力矩的大小,我們可以根據(jù)需要,把他轉(zhuǎn)換成一對(duì)大小相等,作用方向相反且不在一條直線上的一對(duì)力 F。根據(jù)這個(gè)原理,就產(chǎn)生了一種施加扭矩的辦法:把力矩等效轉(zhuǎn)換為作用在節(jié)點(diǎn)上的一對(duì)對(duì)的大小相等方向相反的力,所有這些力合成后得到若干力矩,所有力矩之和等于欲施加的力矩,即:

以在一段圓柱體的圓周表面上施加扭矩為例:假定力矩是作用在整個(gè)圓周表面上的,設(shè)要施加的總力矩大小為M。等效后,作用在每個(gè)圓柱表面節(jié)點(diǎn)上的力為f。由于此式中 M、d是已知的,故由此即可算出等效到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的力f。當(dāng)然,力 f的方向應(yīng)該沿著圓周的切向。在ANSYS中,把坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo),即可施加圓周切向力,這種方法雖然理論上是可行的,實(shí)際操作起來(lái)會(huì)受到諸多限制。如:①圓周方向節(jié)點(diǎn)數(shù)目必須為偶數(shù),因?yàn)橹挥信紨?shù)個(gè)節(jié)點(diǎn),才能夠剛好兩兩配對(duì)形成力矩。若為奇數(shù),則所有的力兩兩配對(duì)合成力矩之后,必然多出一個(gè)力來(lái),總的合成效果是力+力矩。②必須手工計(jì)算作用在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的等效力。且不說(shuō)手工計(jì)算繁瑣,如果重新劃分網(wǎng)格時(shí),改變了單元分布數(shù)目,則等效力必須重新計(jì)算,麻煩無(wú)比。③如果扭矩是作用在端面上,由于端面節(jié)點(diǎn)分布不規(guī)律,等效計(jì)算更是無(wú)從談起了[3]。

ANSYS中的Cerig的作用類似于Nastran,abaqus中的rbe2單元。只不過(guò),ANSYS中的cerig產(chǎn)生的不是單元,而是一種自由度約束關(guān)系(或者約束方程)。其實(shí),nastran,abaqus中的rbe2單元,從本質(zhì)上來(lái)講,也是自由度約束方程[4]。下面說(shuō)明施加扭矩的基本步驟:

(1)在扭轉(zhuǎn)的中心線上生成一個(gè)節(jié)點(diǎn),稱之為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)(或者主節(jié)點(diǎn))。如果是在獨(dú)立節(jié)點(diǎn)施加力,獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的位置顯然是不能隨意定的。因?yàn)楠?dú)立節(jié)點(diǎn)的位置不一樣,得到的力矩是不一樣的。

(2)確定實(shí)際承受扭矩的表面上的所有節(jié)點(diǎn),把這些節(jié)點(diǎn)放到一個(gè)組里面,便于以后操作。這些節(jié)點(diǎn)稱之為非獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。

(3)在獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上生成一個(gè)質(zhì)量單元,質(zhì)量的大小設(shè)置為一個(gè)很小的值,譬如1.0e-10。引入這個(gè)質(zhì)量單元的目的是為了傳遞力矩/力,在ANSYS中,如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有跟任何單元關(guān)聯(lián)起來(lái),也就是說(shuō),一個(gè)節(jié)點(diǎn)如果不屬于任何一個(gè)單元,作用在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上的載荷是不起任何作用的。

(4)在獨(dú)立節(jié)點(diǎn)和眾多的非獨(dú)立節(jié)點(diǎn)之間建立剛性連接(CErig)。

(5)直接在獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上施加扭矩。

3 扭-壓載荷下的仿真模擬計(jì)算

在本次計(jì)算中,鉆鋌在施加鉆壓 40t,扭矩 50 kNm時(shí)得到應(yīng)力如圖3。在鉆壓 40t,扭矩50kNm時(shí),按Mesis準(zhǔn)則計(jì)算的最大位移0.0015m;最小八面體剪應(yīng)力為3.48MPa,最大八面體剪應(yīng)力為580 MPa。

圖3 鉆壓40t、扭矩50KNm時(shí)的應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

1)施加鉆壓、扭矩時(shí),產(chǎn)生的最大位移0.0015m,滿足設(shè)計(jì)要求。

2)設(shè)計(jì)鉆鋌的屈服強(qiáng)度:758MPa;抗拉強(qiáng)度965。能夠滿足強(qiáng)度需要。

3)應(yīng)力集中處在凹槽處,屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象,在此處將凹角導(dǎo)園消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。

[1] 任瑞瑞,蔡正敏,楊菊生.導(dǎo)向隨鉆測(cè)量?jī)x在扭-壓載荷下的強(qiáng)度校核[A].第14屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第三冊(cè))[C],2005

[2] 石曉兵,劉 鶴,吳應(yīng)凱,等.RWD隨鉆擴(kuò)眼下部鉆具組合的強(qiáng)度分析[J].鉆采工藝,2007,30(1)

[3] 石曉兵,施太和.深井中帶扶正器的下部鉆具組合失效的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,1999,28(6)

[4] 張勝民.基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003

P631.8+3

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1004-9134(2010)03-0015-02

2009-08-12 編輯:劉雅銘)

施斌全,男,1972年生,工程師,研究生,2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)。現(xiàn)在勝利油田鉆井工藝研究院自動(dòng)化所從事隨鉆放射性方法研究。郵編:257017