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。……