卡瓦夹持长度对卡持力影响分析

王皓 廖飞龙 高原 倪超 梁维刚

摘要：基于有限元软件建立对称及非对称快速卡瓦夹持钻具的仿真模型，模拟卡瓦夹持钻具的过程，分析钻具的受力状况并提取不同夹持长度时接触区域的最大等效应力。通过分析不同钻杆的受力情况及等效应力云图，发现增加卡瓦长度在一定程度上能够减小钻杆所受的最大等效应力，但效果并不明显，反而卡瓦过长会造成一系列的问题。

关键词：卡瓦;有限元;接触;卡持力

【Abstract】Based on the finite element software， the simulation models of symmetric and asymmetric fast slips clamping the drilling tool are established， the process of slips clamping the drilling tool is simulated， the stress condition of the drilling tool is analyzed， and the maximum equivalent stress in the contact area with different clamping length is extracted. By analyzing the stress and equivalent stress nephogram of different drill pipes， it is found that increasing the slip length can reduce the maximum equivalent stress on the drill pipe to a certain extent， but the effect is not obvious. On the contrary， too long slip will cause a series of problems.

【Key words】Slip; Finite element method; Contact; Clamping force

隨着钻井逐步转向深层、特深层和复杂地层等非常规油气藏，钻具悬重日益增加，在使用卡瓦过程中，一旦卡瓦的卡持力超过钻柱的屈服强度，将会损伤钻具，给钻井作业带来井下风险。因此对大悬重井用卡瓦结构设计提出了更高要求。卡瓦的各项参量：卡瓦座锥角，卡瓦牙型、数量、长度及卡瓦材料参数等都会卡持效果有着直接影响。本文使用有限元分析软件，着重分析夹持长度对对称及非对称快速卡瓦卡持力的影响，并开展台架实验，对计算模型进行比对和优化，总结出卡瓦长度对卡持力的影响规律。

1.卡瓦卡持力分析与计算

卡瓦主要是由卡瓦座，卡瓦牙板组成。工作时卡瓦牙接触钻杆外表面，在摩擦力作用下带动卡瓦座沿井口补芯锥面下行，逐渐推动各瓣卡瓦向中间收拢直到卡紧钻杆。根据卡瓦及钻杆的受力分析， 建立如下力学平衡关系：

卡瓦受力情况如图 1 所示。其力平衡式如下：

2.三维模型建立

根据实际尺寸绘制钻杆、卡瓦和卡瓦座三维模型，网格划分如图2所示，钻杆、卡瓦座采用6节点六面体网格划分，卡瓦采用四面体网格划分，同时对载荷施加面进行网格加密处理。卡瓦座底面施加全约束;钻杆顶部施加纵向位移约束，外壁是自由表面，底面按照300吨钻具计算，施加782.4Mpa轴向载荷。材料属性参照材料设置，钻杆材料为45 钢，卡瓦体材料为20CrMnTi。

为了得到夹持长度对卡瓦卡持力的影响，对654mm、700mm、750mm及800mm对称卡瓦，654mm、750mm、900mm及1000mm非对称卡瓦进行静力学仿真。钻杆承重 300T 时各夹持长度下的等效应力云图如图 3所示。

可以看出：增加卡瓦长度在一定程度上能够减小钻杆所受的最大等效应力，且当卡瓦长度为 700mm 时，钻杆整体受到的应力情况最合适，继续增加夹持长度效果并不明显，反而卡瓦过长会造成一系列的问题，造成这种情况的可能原因：被卡瓦夹持段钻杆本身所受竖直向下的拉应力过大。

由图4可以看出：对于非对称型卡瓦，最大等效应力发生在卡瓦空缺处钻杆内壁表面，最大等效应力随卡瓦有效夹持长度的增加而逐步减小，与对称型卡瓦不同：卡瓦有效夹持长度在750mm前，增加夹持长度，对钻杆最大应力的影响不大，但当夹持长度达到1000mm后，增加夹持长度可有效降低钻杆最大应力。

3.试验分析

为验证有限元计算结论，在同一锥角工装中，采用液压机施加轴向压力代替坐封力，分别对654mm、700mm、750mm及800mm对称卡瓦，654mm、750mm、900mm及1000mm非对称卡瓦模型进行300吨轴向压力加载，并使用应力检测设备采集每组试验的最大应力，如图6所示。本试验旨在观察在同一锥度情况下，卡瓦夹持长度对卡持力的影响如图7所示。

试验结果表明：仿真计算模型与实际试验在数值上存在一定差异，但变化趋势基本相同：对称型卡瓦有效夹持长度在750mm前，通过增加夹持长度的方式能有效降低钻杆最大应力;非对称卡瓦夹持长度大于750mm时，通过增加夹持长度的方式能有效降低钻杆最大应力。

4.结 论

（1）由于对称型卡瓦在初期通过增加夹持长度的方式能有效降低钻杆最大应力，因此对于小悬重钻井作业宜使用对称型卡瓦来减小钻杆损伤;

（2）非对称卡瓦夹持长度在750mm以上时，通过增加夹持长度的方式能有效降低钻杆最大应力，因此深井、超深井等大悬重井应使用非对称型卡瓦;