隨鉆中子測井儀機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算方法研究

畢新帥 吳 丹

(1.山東勝利偉業(yè)石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司 山東東營) (2.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院 山東青島)

隨鉆中子測井儀機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算方法研究

畢新帥1吳 丹2

(1.山東勝利偉業(yè)石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司 山東東營) (2.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院 山東青島)

鑒于隨鉆測井(LWD)對于隨鉆測井儀器的機(jī)械強(qiáng)度的要求,文章研究了隨鉆中子儀器的機(jī)械強(qiáng)度,利用SOLIDWORKS、ANSYS等軟件建立并分析隨鉆中子儀器模型,通過改變幾種不同參數(shù)中子源倉凹槽的深度、長度等,模擬計(jì)算出了中子儀器在受到拉力、壓力、扭矩作用時的源倉凹槽部分的等效應(yīng)力分布圖以及受到的最大應(yīng)力集中值。

隨鉆中子測井儀器;源倉凹槽;應(yīng)力集中;等效應(yīng)力

0 引 言

隨鉆測井作為一種具有地質(zhì)導(dǎo)向優(yōu)勢的測井方法,近年來在油田勘探和開發(fā)中發(fā)揮著日益重要的作用。在隨鉆測井中,隨鉆中子測井也是必不可少的一種方法[1]。

隨鉆測井儀器在井眼中承受的載荷非常復(fù)雜,特別是在凹槽部分、接頭部分等,同時承受內(nèi)壓、外壓、軸向載荷、彎曲載荷和扭矩的作用,而在鉆進(jìn)過程中還承受著動載的作用。在復(fù)雜載荷作用下,測井儀器發(fā)生斷裂失效是普遍存在的問題[2]。

隨鉆中子測井儀的源倉凹槽部分由于發(fā)生了尺寸以及結(jié)構(gòu)上的變化,在承受拉力、壓力、扭矩作用時,必然產(chǎn)生應(yīng)力集中[3],當(dāng)最大應(yīng)力值大于機(jī)械材料所能承受的值時,必然出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象。可見,源倉凹槽參數(shù)的不同,必然影響著應(yīng)力分布的不同,也就影響著最大應(yīng)力值。

1 研究內(nèi)容與方法

隨鉆中子儀器外殼結(jié)構(gòu)比較簡單,只有源倉凹槽部分產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)和形狀上的突變,最大應(yīng)力值必然產(chǎn)生于此,故本文利用SOLIDWORKS依據(jù)常規(guī)鉆鋌的參數(shù)建立多個隨鉆中子測井儀器源倉凹槽部分的模型,如圖1所示。改變中子源倉凹槽的長度、深度等參數(shù),導(dǎo)入ANSYS軟件,分別在軸向上施加拉力(壓力),在切向上施加扭矩,進(jìn)而計(jì)算出最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力的值。

圖1 隨鉆中子測井儀器源倉凹槽部分模型

1.1 建立模型

利用SOLIDWORKS軟件建立模型參數(shù)為:外徑D=215 mm,內(nèi)徑d=75 mm,首先取源倉凹槽長L=180 mm,改變深度分別為h=18、20、22、24、26 mm;另外取深度為h=18 mm,槽長為L=150、180、200 mm。為了減小應(yīng)力,在凹槽連接處,均設(shè)置r=5 mm過渡弧。

1.2 ANSYS軟件模擬計(jì)算

ANSYS軟件主要包括三個功能模塊:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊,目前最新版本為ANSYS12.1。

我們在軟件中依據(jù)實(shí)際的材料參數(shù),設(shè)置計(jì)算模型材料的泊松比等參數(shù),所加軸向拉力(壓力)為F=100 kN,切向扭轉(zhuǎn)力為F=40 kN,分別模擬計(jì)算了最大正應(yīng)力值和最大切應(yīng)力值。

2 研究結(jié)果

2.1 深度對兩種應(yīng)力分布的影響

圖2、圖3,分別是源倉凹槽長度L=180 mm,深度h=18 mm的等效正應(yīng)力和等效切應(yīng)力分布圖。

圖2 中子儀器源倉凹槽模型等效正應(yīng)力分布圖

圖3 中子儀器源倉凹槽模型等效切應(yīng)力分布圖

其它計(jì)算結(jié)果類似,因此,我們得到源倉凹槽不同深度下的的最大正應(yīng)力值和最大切應(yīng)力值,如表1所示。由數(shù)據(jù)得到凹槽最大正應(yīng)力、最大切應(yīng)力隨深度變化曲線,可以得出,隨著凹槽深度的變化,最大應(yīng)力值逐漸增大,深度達(dá)到26 mm時,最大切應(yīng)力為235 MPa。

表1 中子源倉凹槽不同深度的最大正應(yīng)力值和最大切應(yīng)力值對應(yīng)數(shù)據(jù)表

2.2 凹槽長度對兩種應(yīng)力分布的影響

表2即為中子源倉凹槽深度為h=18 mm時,長度L不同,最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力的數(shù)據(jù)表。同樣得到凹槽最大應(yīng)力值隨凹槽長度變化曲線如圖4所示。所得到凹槽長度對最大應(yīng)力值影響不大。

表2 中子源倉凹槽不同長度的最大正應(yīng)力值和最大切應(yīng)力值對應(yīng)數(shù)據(jù)表

圖4 凹槽最大正應(yīng)力、最大切應(yīng)力隨深度變化曲線

3 結(jié) 論

隨鉆中子測井儀器受到軸向拉力(壓力),以及扭轉(zhuǎn)力矩時,會在源倉凹槽部位產(chǎn)生應(yīng)力集中,出現(xiàn)最大應(yīng)力集中值;源倉凹槽深度逐漸加大,最大正應(yīng)力值與最大切應(yīng)力值均逐漸增大,凹槽長度對兩種應(yīng)力最大值影響不大;通過改變源倉凹槽部分各項(xiàng)參數(shù),得到一系列數(shù)據(jù),可為中子源倉挖槽時的設(shè)計(jì)服務(wù)。實(shí)踐證明利用此方法研究隨鉆中子儀器機(jī)械強(qiáng)度是可行的。

[1] 張辛耘,王敬農(nóng),郭彥軍.鉆測井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢[J].測井技術(shù),2006,30(1)

[2] 陳 勇,林元華,付建紅.鉆鋌螺紋的有限元分析及應(yīng)力分散槽優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].國外油田工程,2004,20(11)

[3] R.J.羅克,W.C.楊.應(yīng)力應(yīng)變公式(第一版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983

Study of the calculation method of the mechanical strength of neutron logging while drilling tools.

Bi Xinshuai and Wu Dan.

In this paper,the mechanical strength of neutron logging while drilling tools is studied.By using SOLIDWORKS,ANSYS and other software,the model of neutron logging while drilling tools is created and analyzed.By changing the depth,length,etc.of different neutron source cave slots,we compute the equivalent stress distribution and the maximum stress concentration of source cave slots under tension,pressure and torque source.

neutron logging while drilling;source cave slots;stress concentration;equivalent stress

P631.8+3

B

1004-9134(2011)03-0014-02

畢新帥,男,1987生,2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,現(xiàn)在山東勝利偉業(yè)石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司工作。郵編:257061

2010-12-13編輯劉雅銘)

PI,2011,25(3):14～15

·開發(fā)設(shè)計(jì)·