水力锚力学性能分析

杨浩　李明飞　曹银萍　秦彦斌

【摘 要】水力锚在油田应用中作用广泛，主要工作部件为锚爪，通过锚爪与套管的咬合来起锚定作用，固定一些重要的井下工具。本文运用ProE和ANSYS软件建立水力锚——套管三维有限元模型，在内压作用下，锚爪向外伸出与套管接触，对其进行有限元分析，得到应力云图。分析结果表明：水力锚爪的应力主要集中在水力锚爪齿面上，局部会出现应力集中现象，最大应力为608.7MPa；水力锚爪齿面与套管内侧的弧度相同时，水力锚爪受力比较均匀，可以减少应力集中现象，此时水力锚和套管的变形为弹性变形。水力锚齿数越多，水力锚应力集中点的应力越大，选择齿数合理的水力锚可以提高安全性。

【关键词】水力锚；有限元；力学性能

水力锚是一种常见的油田井下工具，对封隔器等工具起锚定作用，主要工作部件是锚爪，利用水力锚爪的咬合力来克服分层作业中油管所受的拉力或压力。在内压作用下，水力锚锚爪向外伸出，卡紧套管内壁，实现锚定动作。当油套压力平衡后，锚爪在挡板内弹簧的弹力作用下收回，解除锚定作用。锚爪与套管间的咬合力对于水力锚的可靠性至关重要，本文主要用ANSYS有限元软件对水力锚进行模拟，根据分析结果对水力锚进行分析。

1 水力锚有限元模型建立

1.1 建立几何模型

水力锚的核心工作部件为锚爪，内压作用下，锚爪向外伸出咬入套管锚定。内压卸掉，锚爪收回解出锚定。运用ProE软件进行三维建模，导入ANSYS Workbench软件之中，考虑到封隔器是对称图形，为了减少计算量，在建立模型时，将套管沿过轴线的一个剖面剖开，建立一个爪与套管接触模型进行分析。ProE建立几何模型以及ANSYS Workbench建立有限元模型，如图1、图2和图3所示所示：

1.2 设置材料属性

ANSYS在计算过程中要设置材料属性，套管选择P110刚级钢材，其材料参数如表1所示：

1.3 设置接触属性

水力锚在工作过程中，锚爪与套管接触，在有限元计算过程中要设置接触对。锚爪与套管接触，水力锚爪齿面为接触面，套管为目标面，接触类型选择摩擦接触（Frictional），摩擦系数设置为0.15。

1.4 边界条件

套管由于与底层接触，所以套管不能移动，运用fix support工具固定住套管，对水力锚爪加内压，内压为35MPa。在内压作用下，锚爪沿径向向外运动，水力锚爪向外伸出与套管接触。

2 有限元分析结果

对水力锚施加35MPa的压力，水力锚爪与套管接触，分析结果如图4所示：

在35MPa内压作用下，水力锚爪与套管接触，水力锚爪的最大应力为608.7MPa。由于水力锚爪齿面弧度与套管弧度不一致，在接触过程中，各个齿面的各个点的接触情况都不一样，所以存在应力不均匀现象，应力集中主要出现在两端齿面，在该齿面出现应力集中现象。P110套管的屈服强度为758MPa，水力锚爪的最大应力为608.7MPa，低于套管的屈服强度，套管和水力锚爪只产生弹性变形。应力集中部分主要集中在水力锚爪齿面上，在套管和水力锚爪齿面的弧度相同时，可以最大程度减少水力锚爪应力集中现象。根据分析结果可知，水力锚爪的应力主要集中在上下两端的齿面，中间部分的齿面应力较小。在中间4个水力锚齿上，应力主要是集中在内侧，内侧的应力明显高于外侧应力，这是由于内侧变形比较大，外侧变形比较小引起的，应力不均衡会导致应力较大的齿面的寿命减少。

3 不同齿数水力锚有限元分析结果对比

3.1 12齿数水力锚分析结果

为了更好的分析水力锚齿面的力学性能，建立不同齿数的水力锚分析其结果。在其他参数条件不变的情况下，本文建立12齿数的水力锚，包括水力锚齿面的角度都与上一个6齿模型相同，在35MPa内压作用下，锚爪向外扩张与套管接触，分析结果如图5所示。

根据分析结果，水力锚爪与套管接触产生应力，锚爪的最大应力为811.7MPa。最大应力出现在水力锚爪的上下两端齿面上，中间部分的齿面的应力主要集中在水力锚爪的内侧，这是由于（水力锚在内压作用下，与套管接触产生变形，锚爪齿面弧度与套管弧度不同，接触点不同，从而应力分布不均匀。锚爪最大应力为811.7MPa，已经超过了P110钢材的屈服强度，此时产生塑性变形，此时，套管和锚爪就会有损伤，同时也会对该处套管的强度产生影响。

3.2 两种水力锚的分析结果对比

6齿数水力锚的最大应力为608.7MPa，12齿数的水力锚最大应力811.7MPa，略高于P110套管的屈服强度，应力越高，水力锚与套管接触效果越好，咬入套管越深，但是，811.7MPa已经超过了P110钢材的屈服强度，此时产生塑性变形，套管和水力锚变形不可恢复，套管的强度会受到影响，影响安全性。那么从施工安全性来讲6齿数的水力锚要高于12齿数。

两种水力锚的最大应力都出现在水力锚上下两端的齿面上，水力锚的中间齿面长，两端齿面短，所以水力锚的齿面越短受到的应力越大。水力锚爪齿面有弧度，套管也有弧度，水力锚爪在内压作用下会产生弹性形变，两端齿面的变形较小，所以齿面与套管接触良好，此时受力最大。中间部分的锚爪齿面的变形不均匀，接触也不均匀，某些部分尚未接触，所以中间部分的应力比较小。

两种水力锚的接触应力都出现在沿轴线方向的内侧，内侧应力明显高于外侧应力。水力锚爪在内压作用下变形，弧度也相应的改变，锚爪内侧由于预留弹簧压板的位置，所以中间部分的变形要大于两侧，内侧与套管接触，外侧有的区域尚未接触，所以内侧的应力明显高于两侧的应力。

在油田施工作业过程中，水力锚主要起锚固的作用，固定其它井下工具，对于油田的安全生产有着重要意义。不同齿数的水力锚与套管接触时的力学规律基本一致，但是不同的水力锚对套管的力是不同的。12齿数的水力锚的最大应力高于6齿数的水力锚，也超过了P110钢材的屈服极限，但是在水力锚工作过程中，基本上不会在同一个地方进行锚固，应力越大，咬入越深，对于水力锚的可靠性来讲，12齿数的水力锚高于6齿数水力锚。合理选择齿数对于让应力分布更加均匀有着重要的意义，根据分析结果，水力锚在工作过程中，由于力的作用导致变形，外侧区域与套管没有接触，那么其他部分的力必然是比较大的，通过选择合理的齿数和齿面弧度则可以让齿面与套管充分接触，此时应力分布比较均匀，也提高了水力锚的工作寿命，提高了生产安全性。

4 结论

本文以油田常用的水力锚为研究对象，运用ProE和ANSYS Workbench软件建立三维有限元模型，对35MPa内压下水力锚爪的应力进行分析，分析结果表明：

（1）水力锚爪的应力主要集中在水力锚爪齿面上，局部会出现应力集中现象，在35MPa内压下，最大应力为608.7MPa；

（2）水力锚爪齿面与套管内侧的弧度相同时，水力锚爪受力比较均匀，可以减少应力集中现象，此时水力锚和套管的变形为弹性变形；

（3）水力锚齿数越多，水力锚应力集中点的应力越大，选择齿数合理的水力锚可以在保证施工作业安全的情况下减少应力集中现象。

【参考文献】

[1]刘汝福，王隆慧，韩进，等.水力锚对套管损伤数值模拟分析及结构优化[J].石油矿场机械，2004，33（5）：65-67.

[2]曹银萍，仝少凯，窦益华.试油封隔器水力锚剪切强度[J].科学技术与工程， 2014，14（24）：59-63.

[3]游龙潭.水力锚损伤套管数值模拟分析[J].内蒙古石油化工，2005（8）：20-22.

[责任编辑：王楠]