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钻井封隔器用矩形截面弹簧的设计与校核

学兔兔 钻井封隔器用矩形截面弹簧的设计与校核 Design and check of the spring with rectangular section used in drilling packer 于 洋,张 怡 YU Yang.ZHANG Yi (西安科技大学机械工程学院,西安710054) 摘 要:根据钻井封隔器的功能和尺寸要求,设计了矩形截面弹簧。根据矩形截面弹簧的结构特点, 采用等效并联组合弹簧的方法对矩形截面弹簧进行了理论计算。并推导出轴向刚度的计算方 法。运用SolldWorls进行三维实体建模,并用ABAQUS进行有限元分析,获得了矩形截面弹 簧的轴向刚度,通过与理论计算结果比较,证明了理论计算方法的合理性。通过有限元分析 进行强度校核,结果表明矩形截面弹簧满足设计要求,为此类弹簧的设计提供了参考。 关键词:钻井封隔器;矩形截面弹簧;有限元分析;ABAQUS;理论计算 中圈分类号:TE934 文献标识码:A 文章编号:1 009-01 34(201 5)07(下)-oi 07-03 Doi:10.3969/J.Issn.1009-01 34.201 5.07(下).33 0 引言 _ 井封隔器的上接头④和下接头①分别与套管柱正确对 J 接,当下放到适当位置后,激活控制单元⑦,使用电加 弹簧是一种利用材料的弹性并制成容易变形的合 热方法加热形状记忆合金⑤,利用其变形顶断特种螺栓 理结构,达到机械功和变形能相互转换的基础零部件。 其主要功能有:减震缓冲 一测量、储存能量等。根据弹 ⑤;弹簧在伸长过程中释放能量,将处于铺平状态的撑 开装置②撑开,从而撑开外部的橡胶筒,橡胶筒与井壁 簧的形状,有圆柱螺旋弹簧、非圆柱螺旋弹簧、碟形弹 紧密接触,达到封隔效果。 簧、片弹簧、钢板弹簧、平面涡卷弹簧,其中圆柱弹簧 按照承受的载荷性质分为压缩弹簧、拉伸弹簧和扭转弹 簧,按照截面形状又分为圆形截面、矩形截面和扇形截 面等 ”。 弹簧的应用涉及多个领域,在石油机械中,钻井封 隔器是一种根据石油钻井作业需要, 用于封隔地层、封 1.卜接头;2.捧丹爱置;3.再臂;4.上接头; 隔各种尺寸管柱与井眼之间以及管柱之间的环状空间, 5.形状记忆台金与特种螺栓;6.中间固定环:7.控制单元 以实现各种目的的井下封隔与桥堵,是一种广泛应用于 图1 钻井封隔器 钻井、固井、测试、完井等作业的重要工具。在设计的 由于弹簧的形变恢复是在特种螺栓⑤断裂后突然 新型钻井封隔器中,弹簧作为机械动力的来源,发挥着 伸长,属于冲击载荷,而且推动撑开装置②需要的能量 重要的作用。考虑到钻井封隔器的实际工况,弹簧的设 大,因此对弹簧的强度要求比较高。而矩形截面弹簧在 计和强度刚度校核成为整个设计工作的重点。 相同的空间下比圆形截面用材多,吸收的能量也大,适 用于空间位置小或受冲击载荷的场合②。因此设计选择 1

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