張東陽，張 聰，胡志偉，胡景晨

(1.安徽省天然氣開發(fā)股份有限公司，合肥230051；2.奧瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊065000)

主題研究

連續(xù)油管注入頭夾塊力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張東陽1，張 聰2，胡志偉1，胡景晨1

(1.安徽省天然氣開發(fā)股份有限公司，合肥230051；2.奧瑞拓能源科技股份有限公司，河北 廊坊065000)

基于彈性力學(xué)理論，提出了一種組合材料的連續(xù)油管注入頭夾塊結(jié)構(gòu)。利用ABAQUS對(duì)比分析了常規(guī)和組合材料夾塊在相同條件下的接觸壓力分布規(guī)律，并對(duì)組合材料夾塊結(jié)構(gòu)的端面倒圓角半徑、環(huán)向倒圓角半徑進(jìn)行了優(yōu)選。分析表明：組合材料夾塊結(jié)構(gòu)更加有效地將夾持力傳遞給連續(xù)油管，使得連續(xù)油管的接觸壓力提高且分布均勻，有效地提高了夾持的可靠性。

連續(xù)油管；注入頭；夾塊；有限元分析；接觸壓力

隨著連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域[1]。與常規(guī)鉆桿作業(yè)比較，連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)可以大量節(jié)省鉆桿上扣作業(yè)的時(shí)間和費(fèi)用，不需要壓井操作。在起下連續(xù)油管時(shí)可以不停歇地泵入循環(huán)液體，降低對(duì)地層的污染程度。目前，國產(chǎn)的連續(xù)油管作業(yè)裝備在關(guān)鍵技術(shù)方面仍處于研究階段，在設(shè)計(jì)裝配、加工工藝等環(huán)節(jié)存在不少的問題，特別是復(fù)雜環(huán)境、惡劣工況下的裝備適應(yīng)性、產(chǎn)品的耐用程度還不夠高[2-4]。

作為連續(xù)油管作業(yè)裝備最為重要組成之一的注入頭，其結(jié)構(gòu)合理性直接影響著連續(xù)油管作業(yè)裝備的性能發(fā)揮與使用壽命。注入頭正常工作時(shí)，其夾持裝置將直接夾緊連續(xù)油管，并均勻控制其提升和下注速度[5]。注入頭在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，夾塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理將會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管擠壓變形較大，或者夾塊與連續(xù)油管間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，造成夾持可靠性降低，嚴(yán)重影響了連續(xù)油管的使用壽命[6-7]。為了進(jìn)一步提高夾塊夾持連續(xù)油管的可靠性，提出了一種組合材料夾塊結(jié)構(gòu)。

1 組合材料夾塊夾持連續(xù)油管的力學(xué)理論

基于彈性力學(xué)理論，兩個(gè)不同彈性體相互接觸，夾塊夾持連續(xù)油管可看做是壓力隧洞問題，并根據(jù)圣維南原理近似地得到連續(xù)油管在不同彈性體材料夾持下的徑向應(yīng)力σp、環(huán)向應(yīng)力σφ表達(dá)式[8]，如下：

(1)

(2)

(3)

由式(3)可知，當(dāng)r=b時(shí)，

(4)

式中：a為連續(xù)油管的內(nèi)徑；b為連續(xù)油管外徑；r為油管外徑；p為鉆井液壓力；E′、μ′為夾塊材料的彈性模量、泊松比；E、μ為連續(xù)油管材料的彈性模量、泊松比；n為比值常數(shù)。

由上述公式可知，σp隨著n值的增大而增加，當(dāng)連續(xù)油管μ、E取一定值后，假設(shè)材料的μ′保持不變，隨著彈性體材料彈性模量的增大，σp應(yīng)力值也增大，對(duì)應(yīng)的接觸壓力值增加，增大了夾塊對(duì)連續(xù)油管的靜摩擦力，提高了夾持面間的夾持可靠性。基于上述理論公式分析，提出了一種組合材料夾塊結(jié)構(gòu)，以期為夾塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

2 常規(guī)型和組合材料型夾塊夾持有限元分析

2.1 有限元建模

連續(xù)作業(yè)時(shí)，連續(xù)油管、夾塊及受到的載荷均為軸對(duì)稱分布，故取過對(duì)稱軸線的剖面建立1/4三維實(shí)體有限元模型，如圖1所示。

常規(guī)型結(jié)構(gòu)的夾塊、連續(xù)油管都為均一的彈性材料，彈性模量E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3，選擇C3D8R八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，連續(xù)油管的網(wǎng)格大小為1 mm，夾塊網(wǎng)格單元大小為2 mm。組合材料型夾塊結(jié)構(gòu)采用低硬度環(huán)塊、高硬度環(huán)塊與夾塊基體相結(jié)合組成，選擇C3D8R八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，高硬度環(huán)塊接觸內(nèi)圓面的網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm。根據(jù)金屬材料性能表，組合材料型夾塊結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表1所示。

a 常規(guī)型

b 組合材料型

部件高硬度環(huán)塊低硬度環(huán)塊夾塊基體連續(xù)油管彈性模量/GPa210110206206泊松比0．270．370．300．30

載荷和邊界條件：紙面內(nèi)側(cè)管壁施加x方向的位移約束，紙面外側(cè)施加y方向的位移約束，油管最下端部設(shè)置z向固定約束。定義夾塊與連續(xù)油管的摩擦因數(shù)為0.2，連續(xù)油管上部施加軸向載荷、內(nèi)壁受到了鉆井液壓力及夾緊壓力。

2.2 常規(guī)型和組合材料型夾塊夾持性能對(duì)比

2.2.1 接觸壓力

夾塊與連續(xù)油管的接觸壓力、接觸應(yīng)力大小反映了夾塊的夾持性能。對(duì)常規(guī)型和組合材料型夾塊與連續(xù)油管的接觸性能進(jìn)行對(duì)比分析，得到兩者的接觸處壓力云圖，如圖2所示。

a 常規(guī)型

b 組合材料型

由圖2可知，組合材料型夾塊夾持連續(xù)油管的最大接觸壓力為90.089 MPa，與常規(guī)型夾持相比，連續(xù)油管的最大接觸壓力增大了14.9%，接觸壓力增加使得夾持連續(xù)油管的正壓力增大，提高了夾持靜摩擦力，表明組合材料夾塊結(jié)構(gòu)的夾持可靠性得到提高。采用組合材料方式的夾塊對(duì)連續(xù)油管表面的接觸壓力分布比常規(guī)夾塊更加地均勻。常規(guī)夾塊靠近夾持中段接觸面上的接觸壓力小于組合材料，其對(duì)連續(xù)油管的夾持有效壓力接觸面積增大，使得連續(xù)油管整體受力更加趨于均勻化分布。這是由于組合材料夾塊在夾持連續(xù)油管過程中，高硬度環(huán)塊的彈性模量最大，根據(jù)上述理論公式，得到組合材料夾塊夾持連續(xù)油管表面接觸壓力比常規(guī)夾持油管的接觸壓力大，驗(yàn)證了有限元仿真結(jié)果的正確性。

為了分析接觸壓力在夾持段的變化情況，分別提取兩組連續(xù)油管沿軸向夾持段路徑(夾塊截面圓弧中部對(duì)應(yīng)的沿管軸向方向)的接觸應(yīng)力分布曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，沿連續(xù)油管端面中間位置的軸向方向上，常規(guī)夾持的連續(xù)油管接觸應(yīng)力呈現(xiàn)從載荷加載端先增大后減小，中間一段基本保持穩(wěn)定，再逐漸增大的分布規(guī)律，最大接觸應(yīng)力為62.46 MPa，沿管軸方向有效接觸長(zhǎng)度為80 mm。組合材料夾塊對(duì)連續(xù)油管的夾持接觸應(yīng)力也呈現(xiàn)先增大后減小，中間一段保持平穩(wěn)，再增大的變化趨勢(shì)，連續(xù)油管表面的最大接觸應(yīng)力為80.7 MPa，沿管軸方向的有效接觸長(zhǎng)度達(dá)到84 mm。

圖3 沿連續(xù)油管軸向的接觸應(yīng)力變化情況

綜上，常規(guī)和組合材料夾塊夾緊連續(xù)油管表面的接觸應(yīng)力均呈現(xiàn)馬鞍狀分布，即夾塊兩端對(duì)連續(xù)油管的夾持接觸應(yīng)力最大，中間部分接觸應(yīng)力較小。與常規(guī)夾塊結(jié)構(gòu)相比，組合材料夾塊夾緊連續(xù)油管時(shí)，連續(xù)油管的最大接觸應(yīng)力提高了29.20%，且平均接觸應(yīng)力值要比常規(guī)夾持顯著增加，沿管軸方向的有效接觸長(zhǎng)度提高了1.05倍，接觸長(zhǎng)度的增加有效地增大了表面接觸正壓面積。究其原因在于組合材料夾塊結(jié)構(gòu)最內(nèi)層環(huán)塊彈性模量最大，中間環(huán)塊彈性模量最小，而夾塊基體材料彈性模量居中。中間環(huán)塊彈性模量小的材料，相對(duì)較軟，所以，最內(nèi)層環(huán)塊與連續(xù)油管接觸夾緊時(shí)，中間環(huán)塊最先被壓緊變形，使得作用于內(nèi)層環(huán)塊上的壓力分布更加均勻，以保證內(nèi)層環(huán)塊與連續(xù)油管更加充分的壓緊接觸，增加了與油管外壁的擠壓接觸面積，同時(shí)高硬度環(huán)塊與油管接觸的最大接觸應(yīng)力增大，相應(yīng)地平均接觸壓力值得到提高，在摩擦因數(shù)一定的情況下，提高了軸向夾持正壓力，有效地提高了夾塊的可靠性。

2.2.2 Mises應(yīng)力及軸向應(yīng)變

1) Mises應(yīng)力對(duì)比分析。

分別提取兩種夾塊結(jié)構(gòu)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，得到了改進(jìn)前后最大Mises應(yīng)力的變化情況對(duì)比分析，如圖4所示。

由圖4可知，夾塊改進(jìn)后對(duì)連續(xù)油管夾持的最大Mises應(yīng)力值只比常規(guī)夾持下增加了3 MPa，且遠(yuǎn)低于連續(xù)油管的屈服強(qiáng)度620.5 MPa，可以認(rèn)為應(yīng)力基本保持不變。與常規(guī)型夾塊比較，由于組合材料夾塊與連續(xù)油管接觸更加的充分，使得連續(xù)油管受到的Mises應(yīng)力呈塊狀均勻規(guī)律分布，應(yīng)力集中現(xiàn)象仍表現(xiàn)為連續(xù)油管的邊界處。因此綜合考慮Mises應(yīng)力、接觸壓力的影響，改進(jìn)后的夾塊結(jié)構(gòu)能夠顯著地提高夾持可靠性。

a 常規(guī)型

b 組合材料型

2) 位移形變對(duì)比分析。

提取Abaqus分析結(jié)果，得到連續(xù)油管在不同夾塊的夾持下，其應(yīng)變位移變化情況如圖5所示。

a 常規(guī)型

b 組合材料型

圖5中看出，組合材料夾塊對(duì)連續(xù)油管夾持產(chǎn)生的x軸向位移應(yīng)變?yōu)?.013 18 mm，明顯小于常規(guī)夾持對(duì)連續(xù)油管的應(yīng)變變形，為0.013 67 mm，變形量降低了3.5%，表明組合材料夾持結(jié)構(gòu)更有利于保護(hù)連續(xù)油管，對(duì)連續(xù)油管的夾持損傷程度更小，降低了因夾塊夾緊油管變形而造成的破壞危險(xiǎn)程度。

3 組合材料夾塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

組合材料夾塊夾緊連續(xù)油管時(shí)，當(dāng)其端部及環(huán)向邊界處未經(jīng)倒圓角處理，將會(huì)對(duì)連續(xù)油管表面造成一定的夾傷，降低了連續(xù)油管的使用壽命。同時(shí)，實(shí)際注入頭夾緊裝置夾塊垂直逐漸抱緊連續(xù)油管的過程中，存在一定的傾斜角[9]也會(huì)對(duì)連續(xù)油管表面產(chǎn)生沖擊破壞，因此有必要對(duì)夾塊倒圓角進(jìn)行分析，為夾塊的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 組合材料夾塊端面倒圓角優(yōu)選

依據(jù)夾塊的設(shè)計(jì)形狀以及尺寸，在對(duì)組合材料夾塊夾持面圓環(huán)4邊進(jìn)行倒圓角時(shí)，還需要考慮2個(gè)不同硬度環(huán)塊尺寸的影響。因此，設(shè)置端面倒圓角尺寸為0～2.5 mm，環(huán)向倒圓角尺寸為0～2.5 mm。保持模型邊界條件不變，研究不同端面倒圓角對(duì)夾持性能的影響。圖6為影響結(jié)果的變化趨勢(shì)圖。圖6中隨端面倒圓角的改變，連續(xù)油管最大Mises應(yīng)力基本保持不變，表明最大Mises應(yīng)力受端面倒圓角的影響很小。

從圖7中不同倒圓角對(duì)接觸面的接觸壓力影響趨勢(shì)圖中比較看出，倒圓角半徑的改變將會(huì)影響著夾持表面的接觸壓力分布形式以及接觸路徑的變化，隨著倒圓角半徑的增加，連續(xù)油管表面接觸壓力逐漸增大。其中，當(dāng)?shù)箞A角半徑為1.5 mm時(shí)，夾持路徑的長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉淼?.04倍，最大接觸壓力值為115.6 MPa，比未倒圓角時(shí)的接觸壓力值增大了約46.22%，明顯地提高了夾持可靠性。與其余組對(duì)比可知，倒圓角半徑為1.5 mm時(shí)，具有最優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

圖6 不同端面倒圓角對(duì)夾持性能的影響

圖7 不同倒圓角半徑的夾持表面應(yīng)力變化趨勢(shì)

3.2 組合材料夾塊環(huán)向倒圓角優(yōu)選

保持上述邊界條件不改變，研究不同環(huán)向的倒圓角半徑對(duì)夾持表面的接觸壓力、最大Mises應(yīng)力及應(yīng)變位移的影響，有限元計(jì)算得到的結(jié)果如圖8～9所示。

圖8 不同環(huán)向倒圓角對(duì)夾持性能的影響

圖9 沿軸向的連續(xù)油管接觸壓力分布變化趨勢(shì)

從圖8～9中看出，最大Mises應(yīng)力值隨環(huán)向倒圓角的增加始終保持在125 MPa左右的水平，遠(yuǎn)低于連續(xù)油管的材料屈服極限強(qiáng)度，而最大接觸壓力呈現(xiàn)M字形分布；沿軸向接觸路徑上的壓力隨著倒圓角半徑的增加表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢(shì)，在倒圓角半徑為0.5 mm時(shí)，路徑表面平均接觸壓力值最大，最大接觸壓力值達(dá)到119.5 MPa，與未倒圓角相比，提高了近30 MPa，表現(xiàn)為整體夾持可靠性最好；在倒圓角半徑為2.5 mm時(shí)，此時(shí)最大接觸壓力值僅有90.65 MPa，與未倒圓角的最大接觸壓力值幾乎相同，整體平均接觸壓力值也最小，表現(xiàn)為整體夾持可靠性最差，表明環(huán)向倒圓角半徑增大到一定值后，接觸壓力值反而降低，不利于夾塊摩擦力的提高。因此，在遠(yuǎn)低于連續(xù)油管材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，夾塊的倒圓角半徑取值在1 mm附近時(shí)，進(jìn)一步提高了夾塊的夾緊靜摩擦力，有效地保證了夾塊安全可靠的工作。

4 結(jié)論

1) 對(duì)常規(guī)夾塊結(jié)構(gòu)與組合材料夾塊結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，并對(duì)接觸應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)分析了端面倒圓角半徑和環(huán)向倒圓角半徑對(duì)組合材料夾塊夾持性能的影響。

2) 與常規(guī)型夾塊相比，組合材料型夾塊夾持連續(xù)油管的最大接觸壓力增大了14.9%，沿連續(xù)油管軸向的有效接觸長(zhǎng)度提高了1.05倍，從而使得夾塊夾持連續(xù)油管的靜摩擦力增大，更有利于夾持可靠性的提高。

3) 組合材料夾塊端面倒圓角半徑為1.5 mm時(shí)，沿軸向的夾持接觸路徑長(zhǎng)度是端面未倒圓角的1.04倍，最大接觸壓力增大了約46.22%，明顯地提高了夾持可靠性，具有最優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

4) 組合材料夾塊環(huán)向倒圓角半徑為 0.5 mm時(shí)，沿軸向接觸路徑表面上的平均接觸壓力最大，夾持可靠性最好。

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Mechanics Analysis and Structure Optimization for Coiled Tubing Injector Head’s Grasping Block

ZAHNG Dongyang1，ZHANG Cong2，HU Zhiwei1，HU Jingchen1

(1.AnhuiProvinceNaturalGasDevelopmentCo.，Ltd.，Hefei230051，China；2.OrientEnergyTechnologyCo.，Ltd.，Langfang065000，China)

Based on the elasticity theory，a composite material clamping structure was constructed.By using ABAQUS，the contact stress distribution between conventional and new combined were comparatively analyzed in the same condition，the end face fillet radius and circumferential fillet radius of new combined material block were optimized.The analytical result shows that the new combined materal block could transfer the clamping force to coiled tubing more effectively，and the contact stress significantly increased and distributed more evenly，which improved the reliability of clamping effectively.

coiled tubing；injector head；grasping block；finite element analysis；contact stress

1001-3482(2017)01-0001-06

2016-08-05

張東陽(1989-)，男，安徽蕪湖人，碩士，2016年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，主要從事石油天然氣裝備研究工作，E-mail：swpuzhangdongyang@163.com。

TE933.8

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.001