CN113255192A - 一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法 - Google Patents

一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法 Download PDF

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CN113255192A CN202110669781.3A CN202110669781A CN113255192A CN 113255192 A CN113255192 A CN 113255192A CN 202110669781 A CN202110669781 A CN 202110669781A CN 113255192 A CN113255192 A CN 113255192A
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Abstract

本发明公开了一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，包括以下步骤：针对不同井下工具类型进行建模；将井下工具进行扫描电镜分析和金相分析，确定其材质种类和含量；设计并运用模拟软件进行对卡瓦和接箍类井下工具的进行应力敏感性分析得出最大径向力，从而确定其在接箍位置的卡紧状态；利用轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式分别模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具卡紧状态下的最小座放力与提捞力。本发明可以结合不同类型卡瓦和接箍类井下工具各个位置的材质信息与应力分布进行安全性能评估；判断不同水平段倾角对于卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置受力的影响；确定不同类型井下工具在接箍位置不同的受力情况。

Description

一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法
技术领域
本发明涉及石油卡瓦和接箍类井下工具安装技术领域，尤其涉及一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法。
背景技术
油气井生产过程中经常需要在油管或套管内安装井下工具，以完成某一作业，例如卡瓦类井下节流器、卡瓦和接箍类柱塞气举座落器等装置的安装和提捞，安装和提捞一般采用钢丝作业。这类工具在座放过程中需要多少座放力才能稳定座落在油管中，该座放力对于选择加重杆和控制冲击速度非常重要；同样在提捞过程中需要多少提捞力才能提捞上来，该提捞力对于选择吊车吨位和提捞速度也非常重要。目前这类工具的座放和提捞都是施工人员根据经验确定的，没有相关的定性定量认识。因此，急需一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力的模拟计算方法。
在提捞过程中通过钢丝直接拉伸打捞，将径向提捞力转化为轴向提捞力。传统方法是施工现场根据经验，在实际施工过程中总结并确定一定范围的座放与提捞力，没有相关的定性定量认识，其中存在的问题有：
（1）无法判断卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态；
（2）无法测量井下工具在接箍位置提捞与座落时的径向受力情况；
（3）无法评估井下工具需要多大的力下放才能稳定卡紧在井筒接箍位置，并且对应的需要多大的力才能打捞出来；
（4）不能对于不同材质井下工具性能及安全性进行评估。
如申请号为CN200910077921.7的专利申请公开了一种基于虚拟地质模型的可视化分析预测方法，该方法主要是从数据库、文件系统中检索多维地质数据模型，通过设置或调整相应参数、模型，布置或重置虚拟地质场景，对地质模型进行坐标、比例尺、数据格式等规范化处理，将可视化计算、分析、预测、检索查询的结果送入双显示缓存区，在可视化平台中对地质数据进行时空一体化显示。但是该方法不能模拟计算实际施工过程中的井下工具的座放与提捞力，也不能对工具的安全性进行评估。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供针对不同井下工具类型进行建模；对井下工具进行扫描电镜分析和金相分析，确定其材质种类和含量；设计模拟方法并运用Ansys仿真模拟软件进行对卡瓦和接箍类井下工具的进行应力敏感性分析得出最大径向力，从而确定其在接箍位置的卡紧状态，实现评估卡瓦和接箍类井下工具最小座放力及最小提捞力的目的；同时实现对卡瓦和接箍类井下工具的安全性能评估，为各大油田后续针对井下工具结构的优化设计提供技术支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
S1，根据卡瓦和接箍类井下工具的工具类型和井下工具座放与打捞原理，构建卡瓦和接箍类井下工具三维模型；座放为油气开发专业名词，释义为井下工具下落到油管某一位置并固定在该位置的整个运动状态。
S2，基于不同类型井下工具的各个位置结构差异性，对井下工具三维模型进行网格划分及模型优化；
S3，对井下工具进行扫描电镜分析和金相分析，获取不同类型井下工具不同位置的材质信息并进行测试，根据测试结果设定井下工具三维模型的模型材质；
S4，利用模拟方法对卡瓦和接箍类井下工具座放过程进行瞬态动力学分析求解，并推导出卡瓦和接箍类井下工具卡紧过程中轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式；
S5、利用推导出的模拟计算公式对井下工具轴向力与径向力相互转换过程进行模拟计算，获得卡瓦与接箍类井下工具所受径向力；
S6、根据卡瓦与接箍类井下工具所受径向力的变化情况，判断卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态；
S7、利用轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式分别模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具卡紧状态下的最小座放力与提捞力。
具体的，在步骤S1包括以下子步骤：
S101，卡瓦类节流座封器座封与打捞原理解释说明，通过下放至接箍位置并通过钢丝突然提捞的方式，将轴向提捞力转化为径向力实现节流座封器在井筒中的座封；在提捞过程中通过钢丝快速下放加重杆冲击工具卸力机构，将径向解封力转化为轴向解封力。
S102，卡瓦和接箍类柱塞气举座落器座落与打捞原理解释说明，通过振击器敲击加重杆，将加重杆轴向座放力转化为座落器径向力，使得座落器坐稳；柱塞气举座落器的提捞则是通过钢丝向座落器提供上提的拉力，克服座落器柱体与卡瓦之间的摩擦力之后，将径向力转化为轴向力，便能将座落器打捞出来。
S103，基于实物、现场照片以及现场提供的CAD设计图等环境图像资料，使用UG与DM建模软件参照1:1的比例对卡瓦和接箍类井下工具进行建模。
具体的，步骤S2具体包括以下子步骤：
S201，基于不同类型井下工具的各个位置结构差异性，针对井下工具三维模型不同构型采取不同的网格划分方式；对于卡瓦和接箍类井下工具三维模型，采用自动划分网格法( Automatic)、四面体划分网格法(Tetrahedrons) 以及扫掠法(Swept Meshing)。利用自动划分网格法通过判定被划分的几何体能否被扫掠，具体地说如果几何体不规则(即不能被扫掠时)，程序就自动产生四面体。反之，如果几何体规则(即能被扫掠时)就产生六面体网格，最终实现四面体与扫掠型网格划分之间自动切换。
S202，井下工具各零部件间的连接接触关系优化如下：投放工具与定位机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触，定位机构与密封机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触，密封机构与单流机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触，单流机构与缓冲机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触。
S203，模型相关参数优化，不同类型单元之间的绑定接触利用多点约束算法（MPC）。井下工具与油管之间的接触为滑动摩擦接触（Frictional）：油管接触面用TARGE170单元，井下工具接触面用CONTA 174单元，建立井下工具与油管的接触对，法向接触刚度FKN = 1，并设置摩擦系数。
具体的，步骤S3具体包括以下子步骤：
S301，井下工具定位机构受力较高，井下工具定位机构的材质要求较高的强度、硬度及韧性。卡瓦和接箍类井下工具的使用材质以及加工工艺对使用寿命和使用强度有直接的影响，同样的使用材质通过改善加工工艺，可以提高井下工具的屈服强度、抗拉抗剪强度等。
S302，通过使用扫描电镜，XRD以及金相分析等手段对卡瓦和接箍类井下工具的使用材质，化学组成结构进行测试和分析。
S303，将所建立模型导入ANSYS仿真模拟软件中，首先检查模型是否正确（模型坐标中是否出现负值）；运用模拟软件中Engineering Data功能模块并参考井下工具测试结果对模型材质进行自主设定；其中设定的材质信息包括密度、泊松比、杨氏模量、抗拉强度、屈服强度。
具体的，步骤S4中井下工具轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式及方法具体包括以下子步骤：
S401，卡瓦和接箍类井下工具座放过程的瞬态动力学分析求解，确定井下工具在静力载荷、瞬变载荷以及简谐载荷的任意组合下的应力与应变随时间的变化关系，瞬态动力学的基本运动方程为：
Figure 323026DEST_PATH_IMAGE001
式中：
Figure 445834DEST_PATH_IMAGE002
——质量矩阵；
Figure 47717DEST_PATH_IMAGE003
——阻尼矩阵；
Figure 648594DEST_PATH_IMAGE004
——刚度矩阵；
Figure 285111DEST_PATH_IMAGE005
——节点加速度向量；
Figure 375558DEST_PATH_IMAGE006
——节点速度向量；
Figure 730316DEST_PATH_IMAGE007
——节点位移向量；
Figure 869305DEST_PATH_IMAGE008
——随时间变化的载荷向量。
本模拟方法主要使用向前差分时间积分和Newmark积分2种方法求解方程式(1)，向前差分方法适用于求解显示的瞬态分析。向前差分时间积分是瞬态动力学中的固有解法，释义为数值预报模式中的时间外推法，它能完全根据当前时步的值得到下一时步的值，而无需使用过去时步的值。Newmark方法使用隐式方法来求解瞬态问题。Newmark方法使用有限差分法，在一个时间间隔内有：
Figure 625908DEST_PATH_IMAGE009
式中：α，δ——Newmark 积分参数。
为了求解
Figure 74207DEST_PATH_IMAGE010
，可以把公式（2）重新排列，得：
Figure 135835DEST_PATH_IMAGE011
其中：
Figure 327782DEST_PATH_IMAGE012
综上所述，则可以求出：
Figure 673313DEST_PATH_IMAGE013
根据以上各式，可以得到tn+1时刻井下工具所受应力
Figure 26934DEST_PATH_IMAGE014
与其位移
Figure 841437DEST_PATH_IMAGE015
、速度
Figure 571496DEST_PATH_IMAGE016
和加速度
Figure 37112DEST_PATH_IMAGE017
之间的关系式。
S402，卡瓦和接箍类井下工具座放过程的所受外力的静力学分析求解，井下工具在油井中下落过程中，作用在井下工具上的外力包括：施加在井下工具上的座放力，井下工具自身重力、井下工具在气柱中所受到的浮力以及井下工具在气柱中下落所受到的阻力，应用牛顿第二定律可以得到如下关系式：
Figure 312367DEST_PATH_IMAGE018
式中：
Figure 863434DEST_PATH_IMAGE019
——井下工具在气柱中下落所受的浮力，N；
Figure 662762DEST_PATH_IMAGE020
——井下工具在气柱中下落所受的阻力，N；
Figure 733618DEST_PATH_IMAGE021
——井下工具在气体中下落的阻力系数，无因次；
Figure 694620DEST_PATH_IMAGE022
——T时刻，井下工具的下落速度，m/s；
Figure 483716DEST_PATH_IMAGE023
——施加在井下工具上的座放力，N。
S403，卡瓦和接箍类井下工具卡紧过程轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式推导，在卡瓦和接箍类井下工具卡紧过程中，起重杆座放力作用在井下工具上，使井下工具向下运动，并通过定位机构将座放力分别作用在3个定位机构楔块上。卡瓦和接箍类井下工具定位机构楔块在接箍位置的相对运动，主要受到了来自支撑块的压力与摩擦力，具体受力分析如下：
Figure 86736DEST_PATH_IMAGE024
式中：
Figure 277677DEST_PATH_IMAGE025
——每个井下工具定位机构楔块受到驱动力，N；
Figure 471898DEST_PATH_IMAGE026
——每个井下工具定位机构楔块受到的弹簧力，N
弹簧力主要是缓冲与传导起重器座放力及卡瓦和接箍类井下工具的密封阻力和各零件相对运动的摩擦阻力，则弹簧弹力为
Figure 279448DEST_PATH_IMAGE027
式中：
Figure 764787DEST_PATH_IMAGE028
——弹簧压缩量，m。
在此分析卡瓦和接箍类井下工具运动的趋势，分别以井下工具定位机构楔块和支撑块为分析对象，对可调整稳定块进行静力学分析，受力示意图如图所示。对于支撑块，根据静力学平衡方程得
Figure 341393DEST_PATH_IMAGE029
即
Figure 909778DEST_PATH_IMAGE030
式中：
Figure 825580DEST_PATH_IMAGE031
——为支撑块与座落器定位机构楔块间的支撑力，N；
Figure 786714DEST_PATH_IMAGE032
——井下工具定位机构楔块所受径向压力，N；
Figure 952247DEST_PATH_IMAGE033
——井下工具定位机构楔块受到的摩擦力，N；
Figure 488271DEST_PATH_IMAGE034
——井下工具定位机构楔块接触面受到的正压力，m/s；
Figure 739255DEST_PATH_IMAGE035
——为支撑块斜面倾角。
其中：
Figure 487768DEST_PATH_IMAGE036
式中：
Figure 304545DEST_PATH_IMAGE037
——支撑块与井下工具定位机构楔块间的静摩擦系数，无量纲；
Figure 231044DEST_PATH_IMAGE038
——支撑块与本体槽间的静摩擦系数，无量纲；
可得
Figure 766062DEST_PATH_IMAGE039
通过上述公式推导，求解了卡瓦和接箍类井下工具座放与座封过程中轴向力与径向力相互转化的过程。
具体的，步骤S5中模拟计算卡瓦与接箍类井下工具所受径向力，根据卡瓦和接箍类井下工具运动及受力原理，设计模拟方法并使用模拟软件，具体操作步骤如下：
确定井下工具弹簧使用的材料为70弹簧钢，卡瓦位置使用的材料为35CrMo钢，柱体部分使用的材料为25CrMo钢，确定井下工具与油管接触面以及摩擦系数，赋予井下工具重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2，即可对井下工具所受应力与安全性进行评估，赋予井下工具下落速度。得出井下工具座放至接箍位置，井下工具定位机构所受径向应力分布（Equivalent Stress）、井下工具定位机构形变量（Equivalent Elastic Strain）及安全性评估图（Safety Factor）。
具体的，步骤S6中确定卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态具体包括以下子步骤：
S601，根据卡瓦和接箍类井下工具径向应力变化判断其是否在接箍位置卡紧。
对于井下工具定位机构楔块，其平衡方程
Figure 787107DEST_PATH_IMAGE040
式中：
Figure 910921DEST_PATH_IMAGE041
——为支撑块与井下工具定位机构楔块间的最小支撑力，N；
Figure 805059DEST_PATH_IMAGE042
——井下工具质量，kg；
g——重力加速度；
Figure 374843DEST_PATH_IMAGE043
——井下工具所受最小座放力，N；
设计模拟方法并使用模拟软件，分别对卡瓦和接箍类井下工具模型打捞头顶部位置施加300-900N的座放力（Force），确定井下工具模型定位机构与井筒接箍位置间摩擦系数，对井下工具模型施加重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2；对井筒外表面进行固定约束（Fixed Support）；设定迭代步数为每秒1000步。
当座放力达到某一值时，卡瓦与接箍类井下工具定位机构所受径向应力不发生变化，此时即为井下工具定位机构所受径向应力，由此判断井下工具已经卡紧。
S602，根据卡瓦和接箍类井下工具径向直径变化判断是否在接箍位置卡紧。
在卡瓦和接箍类井下工具逐渐向下移动过程中，同时定位机构楔块被推出，工具直径变大，直至抵住井壁。此处支撑块在将要抵住井壁的状态，即井壁的作用力。根据步骤S6推导得出井下工具移动距离Δx与座放力增量
Figure 340525DEST_PATH_IMAGE044
的关系式。
Figure 663053DEST_PATH_IMAGE045
井下工具移动距离Δx与支撑块被推出时工具直径D的关系式为
Figure 196934DEST_PATH_IMAGE046
当座放力达到某一值时座落器定位机构直径不发生变化，由此进一步证明座落器已经卡紧。
具体的，步骤S7中模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具卡紧状态下最小座放力与提捞力具体包括以下子步骤：
S701，模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具最小座放力，根据步骤S5的轴向力与径向力相互转换的公式推导，设计模拟方法并使用模拟软件，分别对卡瓦和接箍类井下工具模型打捞头顶部位置施加300-900N的座放力（Force），确定井下工具模型定位机构与井筒接箍位置间摩擦系数，对井下工具模型施加重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2；对井筒外表面进行固定约束（Fixed Support）；设定迭代步数为每秒1000步；定位机构所受最大径向应力（Pressure），模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态，得出使得井下工具在井筒接箍位置卡紧的最小座放力。
S702，模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具最小提捞力，由于座放与提捞是两个相互独立的过程，因此无法实现同时模拟时两个过程，这时需要使用步骤S6中模拟计算得出的同一井下工具在同一压力井中所受的最大径向力。根据牛顿第三定律（力的相互作用原理），将定位机构所受最大径向应力（Pressure）分别赋予井下工具定位机构楔块上，模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态，对井下工具模型施加重力加速度（Standard EarthGravity）9.8m/s2；对井筒外表面进行固定约束（Fixed Support）；设定迭代步数为每秒1000步；分别对井下工具模型打捞头顶部位置施加300-900N的提捞力（Force），得出使得井下工具在卡紧状态下从井筒中提捞出来的最小提捞力。
本发明的有益效果：
1.本发明运用了一种新的模拟方法及流程确定出卡瓦和接箍类井下工具在井筒接箍位置的所受径向力情况，确定出井下工具在井筒中的卡紧程度及最佳座放力，并模拟井下工具在井筒中的卡紧状态，模拟计算得出对应将井下工具从井筒中提捞出来的最小提捞力。
2.本发明基于瞬态动力学原理，结合向前差分时间积分和Newmark积分的方法，结合实际工程数据定量分析出卡瓦和接箍类井下工具在井筒中的卡紧程度，设计模拟方法并使用Ansys模拟软件对井下工具在井筒中的运动及受力情况进行模拟，可对现场实测井下工具运动数据进行解释。
3.本发明运用此模拟方法，可以结合不同类型卡瓦和接箍类井下工具各个位置的材质信息与应力分布进行安全性能评估；可以研究井下工具接箍位置分别在气段与水段时最佳下落速度以及与之对应最小的提捞力；判断不同水平段倾角对于卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置受力的影响；确定不同类型井下工具在接箍位置不同的受力情况。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明卡瓦式节流器工作原理图。
图3是本发明卡瓦和接箍式座落器第一工作原理图。
图4是本发明卡瓦和接箍式座落器第二工作原理图。
图5是本发明卡瓦座落器设计与建模图。
图6是本发明井下工具定位机构楔块在接箍位置受力图。
图7是本发明接箍位置支撑块与井下工具定位机构楔块分别受力图。
图8是本发明某一压力井气柱段井下工具下落至接箍位置的径向应力分布图。
图9是本发明某一压力井水柱段井下工具下落至接箍位置的径向应力分布图。
图10是本发明某一压力井不同座放力下井下工具定位机构所受径向应力分布图。
图11是本发明某一压力井不同座放力下井下工具定位机构直径变化图。
图12是本发明某一压力井不同提捞力下井下工具定位机构所受径向应力分布图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本实例中，如图1所示，一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，包括以下步骤：S1、分析解释卡瓦和接箍类井下工具座放与打捞原理，建立三维模型；
S2、根据步骤S1中建立的卡瓦与接箍类井下工具三维模型，对三维模型进行网格划分及模型优化；
S3、根据步骤S1、S2中建立的卡瓦与接箍类井下工具优化模型模型，测试并应用不同类型井下工具不同位置的材质信息；
S4、推导并应用井下工具轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式及方法；
S5、根据步骤S4中井下工具轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式及方法，模拟计算卡瓦与接箍类井下工具所受径向力；
S6、根据步骤S5中计算得出的卡瓦与接箍类井下工具所受径向力，确定卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态；
S7、根据步骤S6中卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态信息，模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具卡紧状态下最小座放力与提捞力。
在本发明的实施例中，所使用的模拟软件均为Ansys模拟软件。方法步骤S1中，总结了卡瓦和接箍类井下工具主要分为节流座封器与柱塞气举座落器，节流座封器与柱塞气举座落器在井筒中具有两种卡紧方式，如图2、图3和图4所示。同时基于实物、现场照片以及CAD设计图，使用UG与DM建模软件参照1:1的比例对卡瓦和接箍类井下工具进行建模，建模结果如图5所示。具体分析与操作步骤如下：
（1）节流座封器主要通过下放至接箍位置并通过钢丝突然提捞的方式，将轴向提捞力转化为径向力实现节流座封器在井筒中的座封；在提捞过程中通过钢丝快速下放加重杆冲击工具卸力机构，将径向解封力转化为轴向解封力；接箍式节流器的工作原理与卡瓦式节流器的工作原理类似，区别在于两者的定位机构不同。
（2）柱塞气举座落器主要是通过振击器敲击加重杆，将加重杆轴向座放力转化为座落器径向力，使得座落器坐稳；柱塞气举座落器的提捞则是通过钢丝向座落器提供上提的拉力，克服座落器柱体与卡瓦之间的摩擦力之后，将径向力转化为轴向力，便能将座落器打捞出来；接箍式座落器的工作原理与卡瓦式座落器的工作原理类似，区别在于两者的定位机构不同。
（3）通过对比实物、现场照片，利用卷尺与游标卡尺等测量工具得到座落器与柱塞每一位置具体尺寸信息、对比绘制CAD设计图，运用 UG与DM建模软件参照1:1的比例对卡瓦和接箍式井下工具进行建模，本发明仅展示出卡瓦座落器的设计与建模图。
步骤S2中，三维模型网格划分及模型优化，具体操作步骤如下：
本方法针对不同类型井下工具的特点，对井下工具各个部位采取不同的网格划分方法，并针对卡瓦和接箍类井下工具在井筒中的运动特点设置不同的接触面；对所建模型与网格进行优化设计，保证后续模拟计算能够准确高效地完成。
（1）网格划分方法
由于不同类型井下工具的各个位置结构存在较大差异，因此为了确保后续计算高效可靠，应该针对三维模型不同构型采取不同的网格划分方式。
本方法采用的网格划分工具平台主要是Ansys仿真模拟求解器提供的网格划分程序，主要为有限元网格。有限元分析(FEM)的网格其中又包括用于机械动力学(隐式)仿真的网格与用于显式动力学仿真(LS DYNA& AUTODYN)计算的网格。
对于卡瓦和接箍类井下工具三维模型，采用自动划分网格法( Automatic)、四面体划分网格法(Tetrahedrons) 以及扫掠法(Swept Meshing)。利用自动划分网格法通过判定被划分的几何体能否被扫掠，具体地说如果几何体不规则(即不能被扫掠时)，程序就自动产生四面体。反之，如果几何体规则(即能被扫掠时)就产生六面体网格，最终实现四面体与扫掠型网格划分之间自动切换。
（2）三维模型接触关系优化
卡瓦和接箍类井下工具一般分为五个部分，从上到下分别为投放工具、定位机构、密封机构、单流机构与缓冲机构。井下工具各零部件间的连接接触关系优化如下：投放工具与定位机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触，定位机构与密封机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触，密封机构与单流机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触，单流机构与缓冲机构之间的连接为实体与实体间的绑定接触。不同类型单元之间的绑定接触利用多点约束算法（MPC）。井下工具与油管之间的接触为滑动摩擦接触（Frictional）：油管接触面用TARGE 170单元，井下工具接触面用CONTA 174单元，建立井下工具与油管的接触对，法向接触刚度FKN = 1，并设置摩擦系数。
步骤S3中，测试并应用不同类型井下工具不同位置的材质信息，具体操作步骤如下：
（1）卡瓦和接箍类井下工具的缓冲机构要求具有良好的弹性，吸收来自起重杆的冲力与自身下落的撞击力能量，柱体承接柱塞的撞击力，要求材质具备较高的强度同时也有良好的韧性，定位机构与管壁接触，井下工具下落的冲击力最终转换为定位机构与管壁的摩擦力，因此定位机构的材质要求较高的强度、硬度及韧性。本发明通过使用扫描电镜，XRD以及金相分析等手段对卡瓦和接箍类井下工具的使用材质，化学组成结构进行测试和分析。
（2）将所建立模型导入模拟软件中，首先检查模型是否正确，即模型坐标中是否出现负值；运用Ansys仿真模拟软件中Engineering Data功能模块并参考座落器测试结果对模型材质进行自主设定；其中设定的材质信息包括密度、泊松比、杨氏模量、抗拉强度、屈服强度。
步骤4，井下工具轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式及方法。
（1）卡瓦和接箍类井下工具下落撞击是一个瞬态过程，瞬态动力学分析是一种用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学相应的方法。它可以用来确定物体在静力载荷、瞬变载荷以及简谐载荷的任意组合下的应力与应变随时间的变化关系，瞬态动力学的基本运动方程为：
Figure 175385DEST_PATH_IMAGE047
式中：
Figure 803813DEST_PATH_IMAGE048
——质量矩阵；
Figure 902219DEST_PATH_IMAGE049
——阻尼矩阵；
Figure 75842DEST_PATH_IMAGE050
——刚度矩阵；
Figure 994119DEST_PATH_IMAGE051
——节点加速度向量；
Figure 911391DEST_PATH_IMAGE052
——节点速度向量；
Figure 598724DEST_PATH_IMAGE053
——节点位移向量；
Figure 926937DEST_PATH_IMAGE054
——随时间变化的载荷向量。
（2）本模拟方法主要使用向前差分时间积分和Newmark积分2种方法求解方程式(1)，向前差分方法适用于求解显示的瞬态分析。Newmark方法使用隐式方法来求解瞬态问题。Newmark方法使用有限差分法，在一个时间间隔内有：
Figure 66932DEST_PATH_IMAGE055
式中：α，δ——Newmark 积分参数。
（3）为了求解
Figure 510596DEST_PATH_IMAGE010
，可以把公式（2）重新排列，得：
Figure 318015DEST_PATH_IMAGE011
其中：
Figure 817130DEST_PATH_IMAGE056
综上所述，则可以求出：
Figure 195153DEST_PATH_IMAGE013
根据以上各式，可以得到tn+1时刻井下工具所受应力
Figure 703494DEST_PATH_IMAGE057
与其位移
Figure 365420DEST_PATH_IMAGE015
、速度
Figure 786168DEST_PATH_IMAGE016
和加速度
Figure 900755DEST_PATH_IMAGE017
之间的关系式。
（5）卡瓦和接箍类井下工具在气柱中下落过程中，作用在井下工具上的外力包括：施加在井下工具上的座放力，井下工具自身重力 、井下工具在气柱中所受到的浮力以及井下工具在气柱中下落所受到的阻力，应用牛顿第二定律可以得到如下关系式：
Figure 212787DEST_PATH_IMAGE058
式中：
Figure 479952DEST_PATH_IMAGE059
——井下工具在气柱中下落所受的浮力，N；
Figure 383186DEST_PATH_IMAGE060
——井下工具在气柱中下落所受的阻力，N；
Figure 1380DEST_PATH_IMAGE061
——井下工具在气体中下落的阻力系数，无因次；
Figure 851524DEST_PATH_IMAGE062
——T时刻，井下工具的下落速度，m/s；
Figure 566670DEST_PATH_IMAGE063
——施加在井下工具上的座放力，N。
（6）弹簧力主要是缓冲与传导起重器座放力及卡瓦和接箍类井下工具的密封阻力和各零件相对运动的摩擦阻力，则弹簧弹力为
Figure 844068DEST_PATH_IMAGE064
式中：
Figure 949558DEST_PATH_IMAGE065
——弹簧压缩量，m。
（7）在卡瓦和接箍类井下工具卡紧过程中，起重杆座放力作用在井下工具上，使井下工具向下运动，并通过定位机构将座放力分别作用在3个定位机构楔块上，如图6所示。
卡瓦和接箍类井下工具定位机构楔块在接箍位置的相对运动，主要受到了来自支撑块的压力与摩擦力，具体受力分析如下：
Figure 868973DEST_PATH_IMAGE066
式中：
Figure 845150DEST_PATH_IMAGE067
——每个井下工具定位机构楔块受到驱动力，N；
Figure 559028DEST_PATH_IMAGE068
——每个井下工具定位机构楔块受到的弹簧力，N
在此分析卡瓦和接箍类井下工具运动的趋势，分别以井下工具定位机构楔块和支撑块为分析对象，对可调整稳定块进行静力学分析，受力示意图如图7所示。对于支撑块，根据静力学平衡方程得
Figure 135503DEST_PATH_IMAGE069
即
Figure 609341DEST_PATH_IMAGE070
式中：
Figure 236762DEST_PATH_IMAGE071
——为支撑块与座落器定位机构楔块间的支撑力，N；
Figure 855963DEST_PATH_IMAGE032
——井下工具定位机构楔块所受径向压力，N；
Figure 654154DEST_PATH_IMAGE072
——井下工具定位机构楔块受到的摩擦力，N；
Figure 400525DEST_PATH_IMAGE073
——井下工具定位机构楔块接触面受到的正压力，m/s；
Figure 866141DEST_PATH_IMAGE074
——为支撑块斜面倾角。
其中：
Figure 656242DEST_PATH_IMAGE075
式中：
Figure 958042DEST_PATH_IMAGE076
——支撑块与井下工具定位机构楔块间的静摩擦系数，无量纲；
Figure 491791DEST_PATH_IMAGE077
——支撑块与本体槽间的静摩擦系数，无量纲；
可得
Figure 624964DEST_PATH_IMAGE078
通过上述公式推导，求解了卡瓦和接箍类井下工具座放与座封过程中轴向力与径向力相互转化的过程。
步骤S5中，模拟计算卡瓦与接箍类井下工具所受径向力，具体操作步骤如下：
确定井下工具弹簧使用的材料为70弹簧钢，卡瓦位置使用的材料为35CrMo钢，柱体部分使用的材料为25CrMo钢，确定井下工具与油管接触面以及摩擦系数，赋予井下工具重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2，即可对井下工具所受应力与安全性进行评估，赋予井下工具下落速度。得出井下工具座放至接箍位置，井下工具定位机构所受径向应力分布（Equivalent Stress）、井下工具定位机构形变量（Equivalent Elastic Strain）及安全性评估图（Safety Factor）。得到不同压力井中卡瓦和接箍类井下工具自由下落时，所受径向应力分布。以座落器为例，模拟得出在不同压力井中，卡瓦座落器座放时所受径向应力分布，如图8、图9所示。
步骤S6，确定卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态。
（1）根据卡瓦和接箍类井下工具径向应力变化判断是否卡紧
对于井下工具定位机构楔块，其平衡方程
Figure 851546DEST_PATH_IMAGE040
式中：
Figure 640641DEST_PATH_IMAGE079
——为支撑块与井下工具定位机构楔块间的最小支撑力，N；
Figure 712502DEST_PATH_IMAGE080
——井下工具质量，kg；
g——重力加速度；
Figure 169023DEST_PATH_IMAGE081
——井下工具所受最小座放力，N；
设计模拟方法并使用模拟软件，分别对卡瓦和接箍类井下工具模型打捞头顶部位置施加300-900N的座放力（Force），确定井下工具模型定位机构与井筒接箍位置间摩擦系数，对井下工具模型施加重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2；对井筒外表面进行固定约束（Fixed Support）；设定迭代步数为每秒1000步；定位机构所受最大径向应力（Pressure），模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态，得出使得井下工具在井筒接箍位置卡紧的最小座放力。由于卡瓦和接箍类井下工具座放机理相似，以座落器为例，模拟得出某一压力井下，卡瓦座落器在不同座放力下所受径向应力分布，如图10所示。
（2）根据卡瓦和接箍类井下工具径向直径变化判断是否卡紧
在卡瓦和接箍类井下工具逐渐向下移动过程中，同时定位机构楔块被推出，工具直径变大，直至抵住井壁。此处支撑块在将要抵住井壁的状态，即井壁的作用力。根据步骤S6推导得出井下工具移动距离Δx与座放力增量
Figure 35348DEST_PATH_IMAGE044
的关系式。
Figure 561007DEST_PATH_IMAGE082
井下工具移动距离Δx与支撑块被推出时工具直径D的关系式为
Figure 187291DEST_PATH_IMAGE083
由于卡瓦和接箍类井下工具座放机理相似，以座落器为例，模拟得出某一压力井下，卡瓦座落器在不同座放力下定位机构直径变化，如图11所示。
当座放力达到某一值时，卡瓦与接箍类井下工具定位机构所受径向应力不发生变化，此时即为井下工具定位机构所受径向应力，由此判断井下工具已经卡紧。
步骤S7，模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具卡紧状态下最小座放力与提捞力，具体操作步骤如下：
（1）模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具最小座放力，根据步骤S5的轴向力与径向力相互转换的公式推导，设计模拟方法并使用模拟软件，分别对卡瓦和接箍类井下工具模型打捞头顶部位置施加300-900N的座放力（Force），确定井下工具模型定位机构与井筒接箍位置间摩擦系数，对井下工具模型施加重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2；对井筒外表面进行固定约束（Fixed Support）；设定迭代步数为每秒1000步；定位机构所受最大径向应力（Pressure），模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态，得出使得井下工具在井筒接箍位置卡紧的最小座放力。由于卡瓦和接箍类井下工具座放机理相似，以座落器为例，模拟得出某一压力井下，卡瓦座落器在不同座放力下所受径向应力分布，如图10所示。
（2）由于座放与提捞是两个相互独立的过程，因此无法实现同时模拟时两个过程，这时需要使用步骤S6中模拟计算得出的同一井下工具在同一压力井中所受的最大径向力。根据牛顿第三定律（力的相互作用原理），将定位机构所受最大径向应力（Pressure）分别赋予井下工具定位机构楔块上，模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态，对井下工具模型施加重力加速度（Standard Earth Gravity）9.8m/s2；对井筒外表面进行固定约束（FixedSupport）；设定迭代步数为每秒1000步；分别对井下工具模型打捞头顶部位置施加300-900N的提捞力（Force）、得出使得井下工具在卡紧状态下从井筒中提捞出来的最小提捞力。由于卡瓦和接箍类井下工具座放机理相似，以座落器为例，模拟得出某一压力井下，卡瓦座落器在不同提捞力下所受径向应力分布，如图12所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据卡瓦和接箍类井下工具的工具类型和井下工具座放与打捞原理，构建卡瓦和接箍类井下工具三维模型；
S2，基于不同类型井下工具的各个位置结构差异性，对井下工具三维模型进行网格划分及模型优化；
S3，对井下工具进行扫描电镜分析和金相分析，获取不同类型井下工具不同位置的材质信息并进行测试，根据测试结果设定井下工具三维模型的模型材质；
S4，利用模拟方法对卡瓦和接箍类井下工具座放过程进行瞬态动力学分析求解，并推导出卡瓦和接箍类井下工具卡紧过程中轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式；
S5、利用推导出的模拟计算公式对井下工具轴向力与径向力相互转换过程进行模拟计算，获得卡瓦与接箍类井下工具所受径向力；
S6、根据卡瓦与接箍类井下工具所受径向力的变化情况，判断卡瓦和接箍类井下工具在接箍位置的卡紧状态；
S7、利用轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式分别模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具卡紧状态下的最小座放力与提捞力。
2.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下子步骤：
S101，以卡瓦类节流座封器座封与打捞原理为基础，通过下放至接箍位置并通过钢丝突然提捞的方式，将轴向提捞力转化为径向力实现节流座封器在井筒中的座封；在提捞过程中通过钢丝快速下放加重杆冲击工具卸力机构，将径向解封力转化为轴向解封力；
S102，以卡瓦和接箍类柱塞气举座落器座落与打捞原理为基础，通过振击器敲击加重杆，将加重杆轴向座放力转化为座落器径向力，使得座落器保持坐稳状态；然后通过钢丝向座落器提供上提的拉力，将径向力转化为轴向力，完成柱塞气举座落器的提捞；
S103，根据现场环境的图像资料，利用建模工具按照1:1的比例对卡瓦和接箍类井下工具进行三维建模，构建卡瓦和接箍类井下工具三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下子步骤：
S201，基于不同类型井下工具的各个位置结构差异性，对井下工具三维模型的不同构型，先利用自动划分网格法判定被划分的几何体能否被扫掠，若被划分的几何体不规则，则利用四面体划分网格法进行网格划分产生四面体网格；反之，若被划分的几何体规则，则利用扫掠法划分产生六面体网格，实现四面体与扫掠型网格划分之间自动切换；
S202，对井下工具各零部件间的连接关系和接触关系进行优化，优化过程具体如下：将投放工具与定位机构之间的连接关系改为实体与实体间的绑定接触，定位机构与密封机构之间的连接关系改为实体与实体间的绑定接触，密封机构与单流机构之间的连接关系改为实体与实体间的绑定接触，单流机构与缓冲机构之间的连接关系改为实体与实体间的绑定接触；
S203，对井下工具三维模型进行参数优化，将井下工具与油管之间的接触关系优化为滑动摩擦接触；油管接触面用TARGE 170单元，井下工具接触面用CONTA 174单元，建立井下工具与油管的接触对，法向接触刚度FKN = 1，并设置摩擦系数。
4.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：对井下工具进行扫描电镜分析和金相分析，获取不同类型井下工具不同位置的材质信息，并分别对不同位置的材质进行测试，根据测试结果设定井下工具三维模型的模型材质；其中设定的材质信息包括密度、泊松比、杨氏模量、抗拉强度、屈服强度。
5.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下子步骤：
S401，利用向前差分时间积分和Newmark积分方法分别对卡瓦和接箍类井下工具座放过程进行瞬态动力学分析，获得井下工具在静力载荷、瞬变载荷以及简谐载荷的任意组合下的应力与应变随时间的变化关系；
S402，卡瓦和接箍类井下工具座放过程的所受外力的静力学分析，获得作用在井下工具上的外力信息；
S403，对卡瓦和接箍类井下工具卡紧过程分别进行工具受力和工具运动趋势分析，并根据分析结果进行轴向力与径向力相互转换的模拟计算公式推导，获得模拟计算公式。
6.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：根据卡瓦和接箍类井下工具运动趋势及受力原理，以模拟计算公式为基础，利用Ansys仿真模拟软件对井下工具所受应力与安全性进行分析评估，并设定井下工具下落速度，模拟计算出井下工具座放至接箍位置、井下工具定位机构所受径向应力分布信息、井下工具定位机构形变量及安全性评估图。
7.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下子步骤：
S601，根据卡瓦和接箍类井下工具径向应力变化判断其是否在接箍位置卡紧，先分别对卡瓦和接箍类井下工具模型打捞头顶部位置施加300N~900N的座放力，获得井下工具模型定位机构与井筒接箍位置间摩擦系数，对井下工具模型施加重力加速度9.8m/s2，并对井筒外表面进行固定约束，设定迭代步数为每秒1000步；当座放力达到某一值时，卡瓦与接箍类井下工具定位机构所受径向应力不发生变化，由此判断井下工具已经卡紧；
S602，根据卡瓦和接箍类井下工具径向直径变化判断是否在接箍位置卡紧；在卡瓦和接箍类井下工具逐渐向下移动过程中，定位机构楔块被推出，工具直径变大，直至抵住井壁；当座放力达到某一值时，座落器定位机构直径不发生变化，由此判断座落器已经卡紧。
8.根据权利要求1所述的一种卡瓦和接箍类井下工具座放与提捞力模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括以下子步骤：
S701，模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具最小座放力，根据模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态时定位机构所受最大径向应力，并结合推导出的模拟计算公式进行分析，获得井下工具在井筒接箍位置卡紧的最小座放力；
S702，模拟计算得出卡瓦和接箍类井下工具最小提捞力，利用步骤S6中模拟计算得出的同一井下工具在同一压力井中所受的最大径向力，将定位机构所受最大径向应力分别赋予井下工具定位机构楔块上，模拟井下工具在井筒接箍位置的卡紧状态，对井下工具模型施加9.8m/s2的重力加速度；并对井筒外表面进行固定约束；设定迭代步数为每秒1000步；分别对井下工具模型打捞头顶部位置施加300N~900N的提捞力、获得井下工具在卡紧状态下从井筒中提捞出来的最小提捞力。
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