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(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

·开发设计·

一种新型挠性短节的设计及其数值优化分析

熊长华，熊长伟

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

随着水平井、大斜度井和其他非规则井的日益增多，测井仪器串连接后如果不能弯曲或者弯曲不灵活，会使仪器串在井中运行困难甚至发生卡滞遇阻。针对此问题，研制出一种新型的挠性短节，仪器长度更短，挠性角度更大，机械强度安全可靠，确保测井作业顺利完成。

非规则井；挠性短节；结构设计；优化分析

0 引 言

随着钻井工艺的日益复杂，石油测井难度也不断加大。测井作业时为了提高测井效率，尽可能多取得测井资料，要求测井仪器成串进行测量，仪器连接后总长能达到五六十米。在复杂井况中，如果仪器串不能够弯曲或者弯曲不灵活，就会使得仪器串在井中运行困难甚至发生卡滞遇阻，导致严重影响测井作业甚至发生测井事故[1]。研制的新型挠性短节在中原油田、吉林油田、扬州测井站等实际测井作业后，证明了其性能可靠，可有效地防止测井仪器串在复杂井况中运行困难甚至发生卡滞遇阻，确保测井仪器串在井中的弯曲测量。

1 设计介绍

1.1 总体结构

挠性短节总体结构如图1所示，主要由上接头、下钢筒、挠性节组件、承压密封塞、连接器及上、下盖帽等组成，内部注入耐高温绝缘硅油，通过两端的连接器导线连接后传输上下仪器的信号，仪器的主体材料采用高强度耐蚀钢，中间的挠性节组件可以任意角度自由活动而不脱离。仪器主体外观如图2所示[2]。

1.2 仪器的性能指标

1)外径：Φ73 mm

2)最高工作温度：175℃、4 h

3)最高工作压力：140 MPa

4)仪器组合长度：min1 084 mm，max1 112 mm

1.3 关键件的设计方法及加工工艺

挠性短节的核心是挠性节的设计，挠性节不但要满足抗拉断力20 t，而且挠性节转角要大于18°才能保证连接到仪器串中的仪器的合理安全弯曲，同时挠性节中每一块挠性零件要独立存在，且不能脱落出仪器主体。

图1 总体结构构成

图2 仪器主体外观

在设计的时候，要考虑设计的挠性节在满足技术要求的前提下，仪器长度尽量短，仪器挠性角度尽可能大，细分到每一节挠性节的弯曲角度在能满足仪器强度的前提下，弯曲角度最大化，挠性节长度最小化。挠度的最大化如图3所示，可通过proe部件干涉分析，三维建模设计后进行挠度的测量。挠性节长度的最小化根据所需的挠度叠加挠性节的数量即可，如图4所示。单体挠性节的长度和挠度是仪器实现挠度功能的关键。在满足仪器技术指标的同时，对挠性节组件壳体的切缝进行倒角，以防夹手伤人，如图5所示。

图3 挠性节干涉分析后角度的测量

图4 挠性节长度的叠加

图5 切缝倒角

新型挠性节由于外径较小，为了满足仪器的强度，选用了高强度耐蚀钢05Cr17Ni4Cu4Nb，通过本文第二部分的强度计算，此材料完全满足强度要求。

挠性节挠度的设计(参照图4所示)是采用线切割加工工艺，把一个整体的钢管加工成每一节分体的挠性小节，使其两两之间有一定的间隙，且不脱落出零件的主体。挠性小节的间隙大小可以确定挠度大小，间隙越大，挠度也就越大。此新型挠性节的割缝设计为1 mm，经过线切割后的零件，两两之间的挠性小节最大间隙为2 mm，挠度为2.84°。经过叠加计算，经过7次挠度叠加可使仪器挠度到达19.8°。同时为了减小仪器受拉力时的应力集中，在挠性小节的接触端部设计成圆角R5，挠性小节的宽度设计为25 mm，在满足强度的同时，使其宽度最小化，以减少仪器的长度。

2 针对关键件的参数计算及其优化分析

挠性节材料为0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢，其材料的屈服强度及拉伸和剪切的许用应力指标为：屈服强度=920 MPa；[σ]=767 MPa；[τ]=460 MPa[3]。

2.1 挠性节拉伸强度计算

挠性节在受拉力的情况下，可分为两个受力薄弱部位。

根据图6的零件仿真模型测量：

受力面积S=575.424 mm2

拉伸应力σ=200 000 N/575.424 mm2=347.6 MPa <[σ]

图6 受拉力薄弱部位一

根据图7的零件仿真模型测量：

受力面积S=182.036×8 mm2=1 456.3 mm2

拉伸应力σ=200 000 N/1 456.3 mm2=137.3 MPa <[τ]

图7 受拉力薄弱部位二

挠性节强度满足要求。

2.2 挠性节几何模型的网格划分及参数优化分析

2.2.1 不带圆角的简化模型

划分网格以中间臂进行局部细分，棱边单边节点数目为10个，节点距离1 mm；

采用四面体划分网格，网格总数472个，加力50 000 N，局部最大应力大约500 MPa(如图8所示)，最大轴向位移0.326 7 mm(如图9所示)。

图8 不带圆角的应力分析

图9 轴向位移云图

因此，对比以上所得的分析结果，没有圆角的挠性零件应力集中在垂直尖角部位，在受力过大的时候，易出现尖角处的撕裂现象，对仪器容易造成安全隐患。

2.2.2 带圆角的简化模型

划分网格以中间臂进行局部细分，棱边单边节点数目为5个，节点距离0.5 mm；

采用四面体划分网格，网格总数1 196个，加力50 000 N，局部最大应力大约510 MPa(如图10所示),最大轴向位移0.124 1 mm(如图11所示)。

图10 带圆角的应力分析

图11 轴向位移云图

因此，在网格划分更为细腻的时候，所得的分析结果带有圆角的挠性零件应力集中在零件的圆角部位，在受力过大的时候，能够较好地分散应力集中现象，让仪器更加安全可靠。由此可以得出，挠性小节在设计端部的时候圆角必须要考虑到，如果没有圆角，仪器在受到过大的拉力时，很容易将挠性节拉坏，甚至脱落出仪器的主体。

2.3 挠性小节中圆角与宽度的设计验证及对应力的灵敏度分析

挠性小节中的宽度和圆角的大小是应力灵敏度的两个重要参数，如图12所示。同时也是决定仪器有效长度是否能够最小化，仪器强度是否最佳的重要设计参数。

图12 挠性小节零件部位示意图

2.3.1 外圆角的大小影响应力的灵敏度分析

分析圆角大小的范围从2～8 mm，如图13所示。可以看出，随着圆角的增大(2

图13 圆角对应力的灵敏度分析

2.3.2 挠性节宽度的大小影响应力的灵敏度分析

分析宽度大小的范围从15～50 mm，如图14所示。可以看出，随着宽度的增大应力变化范围是859 MPa到845 MPa，宽度的大小对应力的影响较小。在保证仪器性能的前提下，宽度可以尽量地缩短，减少不必要的仪器长度。根据此分析，挠性小节宽度设计为25 mm。

图14 宽度对应力的灵敏度分析

3 结 论

新研制的挠性短节组合长度短，挠性角度大，弯曲灵活，从2013年至今，在全国多个油田复杂井中保证了测井作业安全顺利实施，有效地解决了测井作业时仪器串弯曲不灵活导致仪器串在井中运行困难甚至发生卡滞遇阻的问题。该仪器在中原油田、大港油田、吉林油田、川庆油田等多地区的复杂井中使用效果良好，并得到用户充分认可。

[1] 尹国平,刘 恒，邹岳元，等.生产测井阵列成像仪在水平井的应用[J].石油管材与仪器，2016，2(6)：59-62.

[2] 中国电子科技集团公司第二十二研究所.SDZ-7150挠性短节使用维修手册[Z] .2012.

[3] 中国电子科技集团公司第二十二研究所.SDZ-8150挠性短节使用维修手册[Z] .2010.

[4] 葛玖浩，李 伟，陈国明，等.2000m超深水水下分离器承压结构强度分析[J].石油机械，2015，43(2)：60-64.

[5] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].西安：西北工业大学出版社，2004： 255-281.

DesignandNumericalOptimizationAnalysisofaNewFlexibleCouplingSub

XIONGChanghua,XIONGChangwei

(The22ndResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Xinxiang,Henan453003,China)

With the increasing of horizontal wells, high-inclination wells and other irregular oil wells, the logging tool string is likely stuck in the oil well if the string can not be bent or not be flexible enough. In order to solve this problem, a new flexible coupling sub with shorter length, stronger flexibility and higher strength has been designed. The new short flexible connecting device can ensure the logging operation be finished successfully.

irregular oil wells; flexible coupling sub; structure design; optimization analysis

熊长华，男，1981年生，工程师，2005年毕业于河南理工大学机械设计及其自动化专业，现从事结构设计工作。E-mali：13937365205@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2017)06-0015-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.004

2017-03-01

姜 婷)