压裂酸化封隔器胶筒结构密封性能分析与优化

封隔器是压裂酸化过程中的重要工具之一,而胶筒是封隔器的核心零部件,胶筒的好坏直接决定了封隔器的工作性能。针对压裂酸化用某Y344型封隔器利用有限元技术开展密封结构性能分析与优化研究,获得了胶筒对套管的接触压力分布规律,考虑接触压力与面积两个因素建立了结构密封性能评价方法,分析了胶筒长度与组数变化对密封性能的影响,为封隔器产品开发与使用提供了理论基础。     

扭转载荷对压裂用封隔器胶筒密封性能的影响

利用有限元分析软件建立封隔器胶筒模型,分析单一轴向载荷和轴向、扭转载荷共同作用下,胶筒与套管之间的接触应力及其沿轴向的分布规律,最大接触应力随胶筒端面角、子厚度、筒高3个结构参数和摩擦因数的变化,以及施加不同扭转载荷时对胶筒密封性能的影响。研究结果表明:在单一轴向载荷作用下,最大接触应力随倾斜角度增大先减小后增大,随子厚度的增加先增加后减小,随筒高的增加而减小,随摩擦因数增大先减小后增大;施加扭转载荷后,不同端面角、子厚度、筒高下胶筒的最大接触应力整体降低且波动较大,随摩擦因数增大胶筒接触面之间的摩擦力增大,加速了胶筒磨损和老化;不同扭转载荷作用下胶筒最大接触应力值波动较大,导致密封性能不稳定。因此,扭转载荷使得胶筒密封性降低,导致最大接触应力波动较大,使胶筒的密封性能存在不稳定性。     

温度变化对压裂用封隔器胶筒密封性能的影响

利用ABAQUS分析软件建立封隔器胶筒的有限元模型,分析相同工作载荷及不同工作温度下,胶筒与套管间接触应力及其沿轴向的分布规律;分析升温和降温2种情况下温度对胶筒密封性能的影响,以及考虑胶筒发生扭转时温度对密封性能的影响。结果表明:轴向载荷不变时,随着温度的升高,胶筒的密封性能也随之提高;升温时,除起始温度低于0℃以外,其各温度下升温的温差幅度越大,胶筒的最大接触应力增加幅度越大,胶筒的密封效果越好;降温时,降温的温差幅度越大,胶筒的最大接触应力减小的幅度越大,胶筒的密封性能越差;小角度扭转载荷下,作业温度的升高将提高胶筒的密封性能,但会降低胶筒密封的稳定性。     

三胶筒封隔器胶筒的密封性能分析

以三胶筒封隔器为研究对象,应用ANSYS有限元软件建立了封隔器密封元件的计算模型,分析了不同坐封载荷下胶筒的变形、胶筒与套管接触压力的变化规律。计算结果表明,弹性模量相对较小的中胶筒首先与套管接触,其次是靠近载荷施加端的胶筒与套管接触,远离载荷施加端的胶筒最后与套管接触。三段胶筒与套管的接触压力都随坐封载荷的增大而增大,在不同坐封载荷下,靠近载荷施加端的胶筒与套管的接触压力均大于中间胶筒和远离载荷施加端胶筒的压力,靠近载荷施加端的胶筒与套管的接触压力越大,封隔器的密封性能越好。     

封隔器胶筒密封性能影响因素分析

利用罚函数法将接触面约束条件引入势能泛函,建立封隔器胶筒有限元方程,采用Newmark法进行数值求解,分析封隔器胶筒几何参数和物理参数对封隔器密封性能的影响。研究结果表明:胶筒与套管间接触压力随胶筒长度的增加而增大,这种增长趋势在胶筒长度达到一定数值后趋于减缓;胶筒与套管间接触压力随胶筒厚的增加而增大,而压缩变形随胶筒厚度增加而逐渐减小;胶筒的材料参数设计要求在满足密封要求的前提下,选择较大的胶筒材料系数。     

压缩式封隔器异型胶筒密封性能分析

为了提高油田分层开采特别是非常规油气完井技术中使用的封隔器常规胶筒的密封性能,使其应力分布更均匀,通过在胶筒与中心管接触一侧的中间开设小圆槽,设计出几种具有不同半径小圆槽的异型胶筒。采用非线性有限元方法,利用 ANSYS 分析软件建立封隔器胶筒有限元模型,对比分析常规胶筒和异型胶筒的密封性能,并研究圆槽半径对封隔器密封性能的影响。结果表明：异型胶筒最大接触应力明显高于常规胶筒,且接触应力分布均匀,因此其密封性能高于常规胶筒;在一定范围内,圆槽半径对接触应力影响不大,但圆槽半径过大会降低封隔器的密封性,应根据现场实际情况来确定圆槽半径。     

温度变化对压裂封隔器胶筒密封性能和疲劳寿命的影响研究

利用ABAQUS软件建立了封隔器胶筒的有限元模型,分析了密封载荷为58.15 MPa时,温度变化对胶筒与套管之间的接触应力的影响规律。考虑实际工况中井下作业温度变化的情况,分析了升温和降温两种变化情况下胶筒的整体密封性能。利用ABAQUS与FE-SAFE疲劳分析软件联立求解,分析温度变化对胶筒使用寿命的影响。研究结果表明,密封载荷不变时,作业温度稳定不变且为100℃左右时胶筒的密封性能最好;作业温度由低向高变化时,胶筒的整体密封性能随之提高,密封性能系数增大;反之,当作业温度由高向低变化时,胶筒的整体密封性能随之降低,密封性能系数减小。当作业初始温度50℃升至100℃时胶筒的整体密封性能达到最好,此时密封性能系数达到最大值4 564.7 MPa·mm;当作业初始温度100℃降温至50℃时胶筒的整体密封性能最差,此时密封性能系数达到最小值572.7 MPa·mm。温度变化幅度越小,胶筒的疲劳寿命波动范围越小;当温度变化幅度一定时,作业温度的升高可延长胶筒的疲劳寿命,当初始温度为100℃时,胶筒的疲劳寿命可达到最大值66.10 d。无论是升温还是降温,当温度变化幅度超过30℃时,均会导致胶筒失效。     

基于有限元的三胶筒封隔器密封性能分析

基于有限元分析方法对三胶筒封隔器的密封性能进行了模拟仿真,确认不同的坐封载荷会使封隔器中的胶筒与套管产生不等的间隙,从而得出三胶筒封隔器中起主要密封作用的位置。     

悬挂式封隔器密封胶筒的密封性能研究

根据悬挂式封隔器密封胶筒的结构和工作特点,分析封隔器在初封和工作阶段胶筒的密封原理及其相应的自由变形、约束变形和稳定变形3种状况下的密封特性。建立胶筒密封性能分析的理论模型,应用压力法分析胶筒在约束变形和稳定变形阶段的材料、几何和应力变化等非线性关系,得出密封面接触应力分布的计算模型,并确立应用封隔器胶筒密封面接触应力判断胶筒密封性能的判别准则。建立悬挂式封隔器胶筒密封的有限元模型,有限元仿真与数值计算得到的密封面接触压力的大小和分布形状具有较好的一致性,证明了建立的理论模型的有效性。     

基于ZSM-5型沸石-水系统的封隔器胶筒材料密封性能研究

为解决高温高压井中封隔器胶筒的失效问题,提高封隔器胶筒密封性能,提出一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒材料。以蜂窝状结构为支撑骨架,在蜂窝内包覆憎水性纳米多孔介质与非浸润性功能流体的混合物,制备一种封隔器胶筒材料,该封隔器胶筒材料可随着外压的增大/减小,通过体系内液体流入/流出多孔材料孔道来调节自身体积变化,平衡外界压变。以ZSM-5型沸石-水系统为填充介质,实验获得不同环境温度下ZSM-5型沸石-水基封隔器胶筒材料的压力-体积变化关系。结果表明,当环境温度在30～75℃范围内变化时,随着温度的提升,该封隔器胶筒材料的上压力阈值减小、下压力阈值增大,服役时的压力将稳定在更小区间范围内;其有效变形能力也将随着温度的升高而增大,体现出良好的密封性能,可减小油套环空密封失效风险。     

封隔器胶筒结构参数优化分析

封隔器密封元件的橡胶属于超弹性材料,在井下多种载荷作用下,其力学行为复杂.文中以压缩式筒状胶筒为研究对象,应用有限元软件对端面斜角和胶筒长度进行了接触应力分析,得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律,由此可确定合理的筒式胶筒结构参数或合理的作业措施.     

压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析

压缩式封隔器广泛用于油田分层开采工艺,其胶筒的坐封通过高压流体作用在活塞上压缩胶筒或管柱来实现。现场作业发现：压缩式胶筒离载荷端较远,且大多采用单向加载,导致坐封不完全,接触应力与密封性能系数较低。针对上述问题,基于Mooney-Rivlin超弹模型、胶管变形及接触非线性理论,建立压缩式胶筒组有限元计算模型,从内衬套和防肩突结构开展单因素分析,并对其裸眼密封性能进行研究,结果表明：三角形内衬套能有效提高胶筒中部接触应力;金属圆环防突结构能提高胶筒密封性能系数;与常规压缩式封隔器相比,优化后的压缩式封隔器密封性能显著提高;裸眼井壁的不规则程度在一定范围内时,对封隔器的密封性能影响不大。     

压缩式裸眼封隔器胶筒密封结构研究

水平井裸眼分段压裂完井技术的核心工具之一是压缩式裸眼封隔器,由于封隔器处于高温、高压、复杂深部地层环境,常出现坐封压力低、坐封提前失效,主要原因是封隔器的密封结构不合理,胶筒与井壁间的接触应力低。基于弹性力学理论,推导出封隔器胶筒坐封时受到的最大接触压力,并提出了一种新型压缩式裸眼封隔器四胶筒组合的密封结构,利用Abaqus对比分析了常规和新型组合胶筒在相同条件下的接触应力分布规律,并对新型组合胶筒的端面斜角进行了优选,研究了摩擦因数对新型组合各胶筒接触应力的影响。分析表明,新型四胶筒组合封隔器能更加有效的将坐封压力传递给密封胶筒,使胶筒的接触应力显著提高且分布均匀,保证了胶筒密封的可靠性。     

油田注水用封隔器密封性能的分析与研究

通过对油田2种注水工艺管柱的受力分析，找出了封隔器密封失效的根本原因，提出了避免封隔器密封失效和提高封隔器密封性的方法。     

双梯度钻井套管内压力隔断封隔器胶筒研究

双梯度钻井技术可解决深海油气和浅层水合物开发面临的疏松表层安全钻进和地层漏失压力低等难题。为研究双梯度钻井套管内压力隔断封隔器胶筒的力学性能,利用有限元仿真软件,分析不同摩擦因数、胶筒厚度、工作压力、环空间隙等因素作用下对胶筒变形的影响。采用正交试验对四种因素作用下胶筒的最大Mises应力值与接触压力值进行极差分析。结果表明:摩擦因数为0.3时胶筒与套管间接触压力取得较大值,双梯度钻井封隔器胶筒厚度优选为15 mm;在有效封隔2 MPa工作压力前提下,得出封隔器胶筒随钻柱滑动的最小摩擦力33 845 N;影响胶筒最大Mises应力的主要因素为工作压力与环空间隙,影响胶筒与套管间最大接触压力的主要因素为工作压力与胶筒厚度。     

井下节流器胶筒密封性能的有限元分析

针对某气田圆柱型胶筒在使用过程中存在耐温、耐压能力差,在温度或压力较高时,工作寿命短的问题,通过测绘并建立节流器三维装配模型的基础上,分析其结构并提出了改进的V型胶筒结构。利用有限元分析软件ANASYS15.0分别建立了圆柱型和V型胶筒系统的有限元分析模型,对比分析了两种胶筒系统下的最大应力,结果表明V型胶筒系统的密封性比圆柱型胶筒系统的密封性要好;并分析了V型胶筒结构尺寸变化对最大应力的影响。研究为胶筒系统的工业改进应用提供了一定的理论基础。     

封隔器胶筒变形稳定性分析

建立封隔器胶筒的有限元分析模型,模拟胶筒的变形过程,对氢化丁腈橡胶(HNBR)胶筒在自由变形与约束变形阶段的稳定性进行分析。分析不同高径比下,HNBR、丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)和聚氨酯橡胶(PU)4种材料在自由变形阶段所需要的使胶筒与套管刚好接触的最小载荷,以及约束变形阶段使胶筒变形从不稳定到稳定所需稳定载荷值。结果表明:高径比与材料的差异会使胶筒在自由与约束变形阶段出现稳定变形与不稳定变形两种分化现象;不同的高径比下,材料差异对自由变形阶段所需的最小载荷及约束变形阶段所需载荷的变化趋势影响不明显,但对载荷值有显著影响;4种材料中,PU材料对自由变形阶段所需要的使胶筒与套管刚好接触的最小载荷,及约束变形阶段使胶筒变形从不稳定到稳定变形所需载荷值最高,然后依次是HNBR、NBR和FKM。HNBR与NBR在高径比小于1.234,FKM与PU在高径比小于1.225时,不会出现胶筒不稳定变形的情况。     

双向压缩式新型封隔器密封性能研究

针对常规封隔器存在的接触应力分布不均匀、胶筒密封不实等问题,提出一种双向压缩式封隔器。该封隔器采用组合结构胶筒的形式,并采用在胶筒两侧同时对向均匀压缩的新型加载方式。采用ANSYS软件建立双向压缩封隔器胶筒有限元模型,研究分析该新型封隔器的密封性能,并与常规封隔器进行比较。结果表明:双向压缩式封隔器胶筒平均接触应力明显高于常规胶筒(高20%左右),接触区域更大,接触区域上的接触应力分布更均匀,胶筒的变形稳定,密封性能更好。     

高温高压封隔器胶筒密封结构设计

随着深井、超深井的开发,封隔器坐封后将长时间承受高温高压、腐蚀等极为复杂的工况。设计一种封隔器胶筒密封结构,该密封结构根据功能特性选取不同的材料,使封隔器能够满足井下高温高压等较为复杂的工况要求。根据实际的井下极端工况条件,对设计的封隔器进行坐封、密封测试,利用商用软件ABAQUS对胶筒在给定工况下的力学行为进行分析。结果表明：设计的封隔器能够在0.2 MN坐封力、204 ℃温度和70 MPa密封压力下稳定工作;在给定的70 MPa压差下,封隔器胶筒橡胶应力水平未达到材料的屈服点,能够保证封隔器的耐久性和可靠性;橡胶胶筒能够产生大于70 MPa压差的接触应力,保证封隔器能承受70 MPa压差。