高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析

套管相互接触时必然产生应力集中现象，因此对卡
瓦咬入套管深度进行 ANSYS 有限元分析，建有限元
模型如图 6 所示。
卡瓦、锥体、套管的材料参数见表 1。进行卡瓦 和套管接触过程分析时，选择 Solid － 182 二维 20 节 点单元，接触对采用面面接触单元对 （ Targe169 和 Con-ta174） 。在封隔器本体尺寸的约束下，径向移 动受到约束，椎体只能沿轴向方向移动。在水泥环 和地层的作用下，套管不能沿轴向移动，只能在径向 产生位移。
若整体式卡瓦发生断裂，卡瓦顶部部分先发生
断裂。因此，只需要计算卡瓦牙顶部断裂时的临界环
向应力值。
为简化模型，假设锥体传递给卡瓦上的径向载
荷 Wr 符合均匀分布，则卡瓦受到的径向载荷分布如 图 3 所示。
瓦 A 处的最大环向应力大于卡瓦材料的屈服强度。
σA n
＞ ［σ］
（ 9）
式中： n——— 卡瓦的安全系数，无量纲。
对比所有卡瓦牙，发现作用在卡瓦上的载荷基本由
前 4 个卡瓦牙承载。
分析表明，卡瓦牙最顶端部分承受较大的接触
应力，承受作用在卡瓦上 30% 左右的载荷。因此，
卡瓦牙顶端部位产生断裂的概率大大增加。卡瓦顶
端部位剪切应力的近似计算方法为
σY
=
30% στ
= 108 1 n πRqw lτ ω1
（ 14）
为了保证卡瓦安全，则整片卡瓦上的最大等效
x） D2
－ D2po（ － d2
x）
－
［pi
（
x）
－ D2
po（ x） － d2
］d2D2
1 r2
（ 6）
σθ
=
d2 pi （
x） D2
－ D2po（ － d2
x）
+
［pi （
x）
－ D2
po（ x） － d2
］d2D2
1 r2
（ 7）
由图 3 可知，pi （ x） = pi = Wr，po （ x） = 0，D =
2 坐封前卡瓦受力状态分析
卡瓦是评价完井封隔器可靠高低的重要组件之 一。坐封前，卡瓦在锥体的挤压作用下，产生环向应 力和径向应力，鉴于卡瓦为轴对称结构，将其受力模 型简化，如图 2 所示。轴向力作用下，当卡瓦应力槽 处的最大环向应力大于卡瓦材料屈服极限时，卡瓦 应力槽发生断裂破坏。
1 力学模型建立
完井封隔器由椎体、卡瓦等主要部件构成，在坐 封过程中，椎体、卡瓦及套管之间相互作用，传递载 荷。如图 1 所示，对完井封隔器卡瓦结构进行简化， 建立坐封工况下完井封隔器受力模型。图中，α 为卡 瓦锥体的半锥角； W1 为锥体传递给卡瓦的轴向力； N1 为锥体与卡瓦之间的正接触压力； Ff1 为锥体与卡 瓦之间的摩擦力； N2 为套管与卡瓦间的正接触压 力； Ff2 为套管与卡瓦之间的摩擦力。
表 1 卡瓦系统材料参数选取
名称
卡瓦 锥体 套管
弹性模量 （ MPa）
2． 3 × 105 2． 3 × 105 2． 0 × 105
泊松比
0． 26 0． 26 0． 26
屈服极限 （ MPa）
950 900 758
经过 ANSYS 分析，得出卡瓦各齿的咬入深度随 载荷的变化曲线（ 见图 7） 。由此可以得出卡瓦对咬 入套管的深度，故每片卡瓦所受剪切应力为
摘要 卡瓦作为封隔器中重要的组成部分，起支撑封隔器和锁定胶筒的作用。针对坐封后卡瓦的咬入会对套 管产生损伤，以及套管剪切力会对卡瓦产生损害等问题，模拟高温高压完井封隔器卡瓦的实际受力情况，建立了简 化的完井封隔器卡瓦的力学模型，应用弹性力学理论分析了卡瓦的剪切强度，得到了卡瓦剪切强度的计算方法和 卡瓦发生损坏的边界条件； 采用 ANSYS 软件分析了卡瓦咬入套管的深度。研究发现，前 4 个卡瓦牙基本上承受了 整个卡瓦作用力，在同一卡瓦牙上，应力最大值出现在卡瓦牙最顶端部位，且对比不同位置的卡瓦齿，发现相同节 点的等效应力逐渐下降。第 7 个卡瓦齿上所有节点的 Mises 应力很小，可以忽略不计。
应力要小于卡瓦材料屈服极限应力，而且顶端卡瓦
牙所承受的应力不能大于卡瓦牙的极限应力。
{στ ≤ ［στ］
（ 15）
σY ≤ ［σ'τ］
4结论
（ 1） 根据有限元计算卡瓦与套管之间的接触应 力，分析得到封隔器坐封状态卡瓦咬入套管深度，从 而计算坐封工况下卡瓦的剪切面积。
（ 2） 通过了解到卡瓦的坐封流程，建立卡瓦力 学模型、分析卡瓦受力，并对卡瓦的剪切强度进行分 析，得到卡瓦剪切强度的计算方法和卡瓦发生损坏 的边界条件。
如图 4 所示，当卡瓦牙咬入套管深度相同时，每 个卡瓦齿受到相同的剪切力［5］。设卡瓦牙根部长度 为 lQ，卡瓦咬入套管的咬入深度为 HQ，齿顶角为 ω， 每个卡瓦牙所受轴向力为 FQZi ，每个卡瓦牙所受剪 切力为 FQS。
由厚壁筒理论可知，厚壁筒内任一点的径向应
力和环向应力分别为［3］
σr
=
d2 pi （
制。电话： 0990 － 6892361，E-mail： nanrl66@ petrochina． com． cn。
2
油 气 井 测试
2016 年 6 月
整理得
Wr
=
Wz tg（ φ + α）
（ 5）
式中： Wz、Wr——— 作用在卡瓦上的轴向、径向载荷， N / m2 ；
f1 ——— 锥体与卡瓦之间的摩擦系数，无量纲； φ——— 摩擦角，°。
Ro ，d = Ri 。设 K = Ro / Ri ，设在卡瓦内定点 A 处的环
向应力为 σA，B 处的环向应力为 σB，则
σB
－ σA
=
K2B K2B
+ －
1 1
－
K2A K2A
+1 －1
=
2（ K2A － K2B） （ K2B － 1） （ K2A + 1）
（ 8）
根据分析发现，A 处 K 值小于 B 处的 K 值，即 KA ＜ KB，由（ 8） 式可得： σB － σA ＜ 0，卡瓦底部环向应 力大于内壁处卡瓦顶部环向应力。因此，推断卡瓦在
FQS
=
FQZi
=
FQZ n
（ 11）
卡瓦剪切面的形态如图 5 所示。可以看出，剪切
第 25 卷 第 3 期
南荣丽等： 高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析
3
面为圆弧面，展开后为矩形。圆弧线所对应的圆心角
为 ω1 ，则剪切面的面积为
Sτ
=
lHlτ
=
ω1 360
πRqw
lτ
（ 12）
卡瓦牙剪切面积的大小受到卡瓦牙咬入深度的 影响，咬入 深 度 越 深，剪 切 面 积 越 大［6］。 卡 瓦 牙 与
Байду номын сангаас
参考文献
［1］ 刘天良，谢洪德． 封隔器卡瓦损伤套管的模拟试验研究 ［J］． 石油矿场机械，2001，30（ 2） ： 49 － 51．
［2］ 王兴． 高温高压完井封隔器力学性能分析［D］． 西安： 西 安石油大学，2013．
［3］ 刘鸿文． 材料力学［M］． 北京： 高等教育出版社，1995： 211 － 216．
［4］ 马长友，翟庆宏． 封隔器卡瓦三维光弹应力分析［J］． 炼 油与化工，2009，20（ 1） ： 40 － 43．
［5］ 吴军． 封隔器卡瓦损伤套管数值模拟分析［J］． 内蒙古石 油化工，2010，（ 10） ： 84 － 86．
［6］ 伍开松，谢斌． 封隔器卡瓦的三维接触有限元分析［J］． 石油矿场机械，2005，34（ 6） ： 47 － 49．
στ
=
FQS Sτ
=
FQZ nlH lτ
= 360 1 n πRqw lτ ω1
式中： lH——— 卡瓦剪切面弧长，m；
lτ——— 卡瓦剪切面宽度，m。
（ 13）
同一卡瓦牙上，最大等效应力值出现在卡瓦牙
最顶端部位； 对于不同位置的卡瓦齿，相同的节点处
等效 Mises 应力呈现为下降趋势，且在第 7 卡瓦牙 上，等效 Mises 应力最小，以至于可以忽略不计［7］。
由图 2 简化受力模型可知，根据力平衡方程，建
立卡瓦受力方程为
Wr = N1 cosα － Ff1 sinα
（ 1）
Wz = N1 sinα + Ff1 cosα
（ 2）
Ff1 = f1 N1
（ 3）
f1 = tgφ
（ 4）
［基金项目］ 中石油重点攻关项目“试油及储层改造关键技术研究”（ 2012E － 34 － 14） 内容。 ［作者简介］ 南荣丽，女，工程师，硕士，1984 年出生，2012 年毕业于西南石油大学油气田开发专业，研究方向： 井下管柱工艺及工具研
A 处的环向应力达到卡瓦材料屈服极限，发生断裂
破坏。
综合以上分析，认为卡瓦能够按照设计方式， 即沿应力槽方向断裂，并正产坐封的必要条件为： 卡
以 AQ 表示卡瓦牙的剪切面积，由剪切应力公式
得卡瓦牙所受剪切应力为
τQ
=
FQS AQ
（ 10）
由图 5 可知，卡瓦在剪切面受轴向力和剪切力
作用，根据平衡条件得 FQS = FQZi ，设每片卡瓦上共 有 n 个卡瓦牙，则每个卡瓦牙所受的剪切力应为
3 剪切强度分析
封隔器胶筒承受上下压差作用，并将载荷传递 给卡瓦，会对封隔器卡瓦造成冲击，封隔器坐封后， 整体式卡瓦应力槽断裂变成分瓣式卡瓦，在椎体作 用力下卡封在套管壁上。卡瓦牙承载椎体传递的载 荷［4］，但是由于卡瓦存在锥角，载荷在角度作用下， 分解为径向应力和剪切应力，如果径向应力和剪切 力大于卡瓦材料屈服极限，卡瓦发生断裂。由于卡 瓦的径向受到套管约束，卡瓦很少在径向方向发生 断裂； 但卡瓦在剪切应力作用时，卡瓦牙易发生剪切 断裂，因此，需提高卡瓦牙的剪切强度，确保封隔器 坐封安全性。
［7］ 阚淑华． 卡瓦式封隔器支撑卡瓦有限元分析［J］． 石油矿 场机械，2005，34（ 1） ： 62 － 64．
本文收稿日期： 2015 － 11 － 18 编辑： 许兰婷
2016 年 6 月
油气井测试
第 25 卷 第 3 期
WELL TESTING （ YOUQIJING CESHI）
Vol． 25 No． 3 （ Serial No． 156） 2016
2016 年 6 月
油气井测试
第 25 卷 第 3 期
高温高压井完井封隔器卡瓦抗剪切强度分析
南荣丽1 窦益华2 杨新克1 王 兴3 曹银萍2
（ 1． 新疆油田分公司 新疆克拉玛依 834000； 2． 西安石油大学机械工程学院 陕西西安 710065； 3． 川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院 陕西西安 710021）
Abstracts
·Research of Theory ＆ Method·
Analysis of Shear Strength of Completion Packer Slip in HPHT Well． 2016，25（ 3） ： 1 － 3 NAN Rong-li，YANG Xin-ke （ Xinjiang Oilfield Branch Company） ，DOU Yi-hua，CAO Yin-ping （ College of Mechanical Engineering， Xi＇an Shiyou University） ，WANG Xing （ Drilling Engineering Technology Institute，Chuanqing Drilling and Exploration Engineering Co． ，Ltd） As an important part of packer，the slip is used for supporting packer and confining rubber after anchoring． To problems of the casing may be damaged from the slip biting after packer is set，and the slip will be damaged from the shear force of casing，the simplified model of packer slip in high temperature and high pressure wells is established with the consideration of load applied on the slip． Based on the elastic mechanics，the shear strength of the slip is analyzed，the equations of shear strength and slip damage boundary conditions are derived． Also，the depth of slip biting into the casing is analyzed by using the ANSYS software． The research finds that the first four slip teeth almost bear the whole stress，for the one slip tooth，the maximum stress appears at the top of slip teeth，and equivalent stress of the node is decreased gradually comparing with the different location of slip teeth． The Von Mises stress at the whole nodes of the seven slip tooth is too small to be neglected． Key words： high temperature and high pressure，packer，slip，shear strength，analysis Study on Well Testing Method of Water Injection for Oil Well in Fractured Carbonate Rock． 2016，25（ 3） ： 4 － 6，11 ZHU Yi，LUO Shen-chao，WANG Hong，NIU Ge （ Tabei Exploration ＆ Development Project Management Department，Tarim Oilfield Company） ，CHENG Han-lie，WANG Lian-shan （ Hengtai Aipu Oil and Natural Gas Services Co． ，Ltd） Fracture cave combined relationships in the fractured vuggy carbonate reservoir are complex，which have great different influence on water injection development． By study and analysis of the characteristics of different injection single well test in recent years，in accordance with the wells locations，the fracture-cavity position are divided into three categories： cave（ cave + cave） ，fractured + cave、 fractured-vuggy． Through comparative analysis of seepage characteristics and reservoir parameters gained by well testing to the actual effect of water injection，injection effect of well located inside the cave water is the best，oil-water replacement rate is high and raising oil effect is significant． Well located inside the fractured that out of the cave，the crack water breakthrough and soon flooded is easy to produce after water injection for oil production，and injection effect of well located inside the low permeability fractured-vuggy reservoir has the worst effect，a reasonable argument the necessity of water injection should be done． Through the well test analysis of reservoir， the difference of water injection effect is discussed，providing a theoretical basis for water injection． Key words： Halahatang oilfield，fracture-vug reservoir，water injection and oil production，well test，method of selecting well Parameters Optimization of CO2 Flooding in Yaoyingtai Ultra-Low Permeability Oilfield． 2016，25（ 3） ： 7 － 11 LIU Hua，LI Xiang-fang，XIA Jun，YU Peng-liang （ China University of Petroleum（ Beijing） ） ，LIU Hua，LI Peng，Gao Yun-cong （ Northeast Oil and Gas Branch Company） Yaoyingtai oilfield is a low porosity and ultra-low permeability reservoir with low natural productivity，high water cut after fractured，low producing wells or non-producing wells taking a high ratio，low recovery rate，formation pressure dropping quickly and low recovery factor，for which some efficient methods to raise recovery factor should be carried on． As an important EOR method，CO2 flooding can increase recovery significantly． From geological model of Yaoyingtai oilfield，the three dimension geological model is built，and by using numerical simulation method，the key development parameters of CO2 Flooding in Yaoyingtai are optimized． The results show that 40 － 50 t / d is the proper gas injection rate，0． 8 HPCV is the optimized cumulative volume，6 － 7 MPa is the reasonable BHP，and injection pressure should be 20 MPa． Under specific condition，producers should be shut-in for 2 months during gas injection and after a half year of injection，perforations adding should be taken． Key words： ultra-low permeability reservoir，CO2 flooding，parameters optimization，recovery ratio，geological model，numerical simulation，Yaoyingtai oilfield Simulation Study on Flow Field of Nozzle Jet Atomization for Twin Swirl Flow of Oil and Gas Well of Testing Burner． 2016， 25（ 3） ： 12 － 14 PENG Xian-qiang，GUO Zhen-jie，ZHANG Xing-hui （ Well Testing Company，Great Wall Drilling Engineering Co． ，Ltd） ，WANG Jiang-yun （ China Petroleum University，State Key Laboratory of Heavy Oil） As the core components of the burner，structure，atomization manner of the nozzle have much relationship with combustion effect and noise． Using Reynolds stress model and Eulerian two-fluid model，simulation calculation is done to the 3 d jet flow field of test burner on an offshore platform with twin twist flow of oil and gas atomization nozzle，having got flow field information of the internal and external nozzle in detail，to provide theoretical basis for revealing the mechanism of nozzle flow，effectively predicting the atomization characteristics so as to improve the efficiency of oil burning． Key words： testing burner，swirl nozzle，flow field，numerical simulation
关键词 高温高压 封隔器 卡瓦 剪切强度 分析
文章编号： 1004 － 4388（ 2016） 03 － 0001 － 03
中图分类号： TE931
文献标识码： A
0引言
卡瓦式完井封隔器是油田完井作业及后续开采 中常用的井下工具。卡瓦是封隔器的重要组成部 件，在井下起着锁定胶筒，限制封隔器上下移动的作 用［1 － 2］。随着国内油气田开发力度的加大，深井、超 深井、热采井的比例不断上升，耐高温、耐高压封隔 器被广泛应用。这种封隔器在高温高压的井况中坐 封可靠性高，正常工作时间长，且在结构上大多采用 整体式双向卡瓦。本文建立了高温高压完井封隔器 卡瓦的简化力学模型，应用弹性力学理论对卡瓦的 剪切强度进行分析，得到坐封工况下作用在卡瓦上 剪切力的计算方法，对高温高压井完井封隔器卡瓦 的选用和改进具有一定理论指导作用。