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。     

注水封隔器胶筒三维应力有限元仿真分析

为了研究注水封隔器在工作过程中胶筒接触应力变化规律,以Y341注水封隔器为研究对象,利用管柱力学理论得到注水工况封隔器所受轴向力,运用ABAQUS有限元分析软件建立三维有限元分析模型,采用Yeoh模型得到橡胶模拟参数,对封隔器胶筒进行有限元三维应力仿真分析。分析表明:3个胶筒在坐封过程中整体受力趋势相同,在轴向坐封载荷作用下受力不均,下胶筒受力变形最大且肩部应力集中;随着轴向载荷的增大,肩部所受套管正压力不断上升;在不同轴向力作用下,封隔器胶筒对套管施加的力会有变化,套管受力与轴向拉力成负相关。通过有限元仿真分析技术,得到封隔器胶筒在坐封及注水工况下的力学规律,为封隔器设计及优化提供理论依据。     

封隔器胶筒非线性仿真及性能评价

以高温、高压深井试油作业中常用的RTTS封隔器为研究对象,考虑封隔器的材料、几何、接触非线性特征,应用非线性有限元理论,以Mooney-Rivlin应变能函数建立非线性材料模型,综合运用杂交网格、非线性自适应区域、罚刚度算法等处理几何、接触非线性导致的难收敛问题。建立RTTS封隔器三维有限元模型,应用控制变量法研究封隔器密封性能的影响因素。研究发现：胶筒的等效应力及接触压力随坐封载荷的线性增大而非线性增大;随着胶筒个数的增加,胶筒接触压力沿远离压缩端方向依次降低;胶筒的接触压力随摩擦因数、材料硬度的增加而非线性降低。该研究结果可以为封隔器胶筒的改进设计提供参考。     

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。     

基于流体渗压的气密封检测工具胶筒密封性能研究

针对3?"气密封检测工具胶筒的密封性问题,基于流体渗压原理,利用有限元法建立了胶筒及与之接触部件的几何模型和接触关系,以胶筒实际所受载荷顺序,先后施加了胶筒坐封载荷和流体渗透载荷,以此为分析步,设计正交试验,计算了不同结构参数组合下胶筒的压缩密封情况,优选出了最佳尺寸胶筒,并对优选胶筒和配套使用的3?"气密封检测工具进行实物加工后,进行了胶筒密封承压能力试验,试验结果显示,所设计的胶筒至少满足10 MPa以内的密封性检测要求,研究表明,基于流体渗压原理的有限元法分析方法可初步模拟得到实际坐封载荷下胶筒的极限环空密封压力。研究方法为气密封检测工具胶筒结构设计和胶筒密封性能研究提供了新的思路。     

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。     

封隔器胶筒大变形的粘-滑摩擦接触分析

采用罚函数方法,结合橡胶大变形问题的增量分析过程,考虑封隔器胶筒与套管之间的粘-滑摩擦接触问题,研究摩擦因数变化对接触压力的影响规律。给出解决封隔器胶筒摩擦接触问题的数值方法,并在此基础上对胶筒与套管之间的摩擦接触进行有限元分析,分析得到采用大变形非线性粘弹性理论和接触摩擦描述的有限元模型,可以比较准确模拟封隔器在坐封和工作过程中胶筒接触压力和变彤的情况,结果表明,摩擦因数变化对封隔器胶筒的接触压力有着较明显的影响。     

裸眼井中扩张式封隔器密封性能研究

以K344型扩张式封隔器为研究对象,建立了裸眼井中封隔器密封元件计算模型,应用有限元软件ANSYS模拟分析了坐封过程中胶筒与井壁接触压力的变化规律。结果表明:随载荷增加,胶筒与井壁接触压力逐渐增加,增加趋势先较快后相对减缓;载荷较小时,胶筒肩部和中部与井壁的接触压力基本相同,随载荷增加,胶筒肩部与井壁接触压力将大于胶筒中部与井壁接触压力。胶筒肩部在密封井壁环空压差时起关键作用,胶筒肩部与井壁的接触压力越大,封隔器密封性能越好。     

封隔器胶筒大变形摩擦接触的有限元分析

关于封隔器胶筒接触压力的求解，目前文献所给出的计算公式均没有考虑摩擦因数对封隔器胶筒接触压力的影响，而摩擦因数对接触压力有较明显的影响。针对胶筒与套管之间的粘-滑摩擦接触问题，采用罚函数技术，结合橡胶大变形问题的增量分析过程，给出解决封隔器胶筒摩擦接触问题的数值方法，并在此基础上对胶筒与套管之间的摩擦接触进行有限元分析。计算结果表明，采用大变形非线性粘弹性理论和接触摩擦描述的有限元模拟技术，可以比较准确地模拟摩擦因数对封隔器胶筒接触压力的影响，所得的结果比经典理论公式的分析结果的精度更高，具有理论价值和工程应用价值，可为胶筒的优化设计提供一定的依据。     

井下封隔器胶筒接触力学行为研究

为研究胶筒与套管之间摩擦接触问题,运用MMW-1型立式万能摩擦磨损实验机对胶筒与套管之间摩擦因数进行了测定;以测定数据为依据,基于橡胶材料Mooney-Rivlin模型,采用罚函数与库伦摩擦原理,考虑橡胶大变形非线性,对胶筒与套管摩擦接触问题进行了数值模拟。结果表明:接触面在无润滑剂下的摩擦因数最大,为0.515,油基润滑下最小,为0.122,其余润滑条件下介于0.122~0.515之间;随着摩擦因数的增大,摩擦应力逐渐增大,接触压力逐渐减小,胶筒等效应力先增大后减小,摩擦因数为0.3时,可以得到较好的接触压力;随着轴向载荷的增大,接触压力、摩擦应力及胶筒等效应力逐渐增加;在轴向载荷不变下,胶筒厚度对接触问题影响较大;最后对胶筒的结构进行了优化设计,得到全段圆弧设计为更好的胶筒结构。     

压裂用封隔器双胶筒组合结构的密封性能研究

利用有限元分析软件建立了封隔器双胶筒模型,分析了在58.15 MPa工作载荷下,不同环境温度对双胶筒与套管之间接触应力的影响规律。考虑压裂封隔器的高温工作环境,分析了在100℃作业温度时,上、下胶筒不同筒高对双胶筒密封性能的影响。研究结果表明,轴向载荷不变时,随温度的升高,双胶筒的密封性能也随之提高,并在100℃时上、下胶筒与套管间密封性能达到最佳,施加载荷端胶筒承担主要的密封作用。当上、下胶筒筒高相等且高度为70 mm时,上胶筒与套管间的接触应力达到最大值66.72 MPa,且上、下胶筒沿轴向的接触应力分布均较平坦,此时双胶筒的密封效果最好。上、下胶筒筒高不等时,相较于上胶筒筒高大于下胶筒筒高的情况,上胶筒筒高小于下胶筒筒高时,上、下胶筒的接触应力沿轴向均呈现较平缓的变化趋势且整体密封性能高。当上、下胶筒筒高分别为40 mm和100 mm时,双胶筒的密封效果最好。     

水平井裸眼封隔器密封结构优化研究

针对水平井压缩式裸眼封隔器存在的密封性差、坐封力低、胶筒与井壁间存在间隙等问题,对其密封结构进行改进与优化,设计出一种凸球形隔环和凹球形胶筒组相结合的新型密封结构。运用 ABAQUS 软件模拟密封结构封隔器胶筒的坐封情况,获得胶筒组轴向接触压力的分布规律,并分析胶筒硬度和摩擦因数对接触压力的影响。结果表明：新型密封结构凸球形隔环在轴向压缩胶筒的同时也起径向压缩作用,提高了胶筒与井壁和中心管间的接触压力,增强了封隔器的密封性能;胶筒与井壁间的接触压力随着胶筒硬度和摩擦因数的增大而增大,但过大的摩擦因数会导致下胶筒接触压力明显减小,应选择硬度和摩擦因数合适的胶筒,从而保证封隔器的密封可靠性。     

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。     

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。     

封隔器胶筒高温高压密封性能检测试验研究

设计研制一种封隔器胶筒密封性能试验装置。该装置可模拟油井下350℃高温、20 MPa高压恶劣工况,能够模拟封隔器胶筒坐封过程,能够对封隔器胶筒的密封性能进行检测。借助试验装置对不同形式的胶筒进行环空密闭试验,测试了不同形式封隔器胶筒在不同介质下环空腔内压力变化规律,得到了试验后胶筒的形变状态、腐蚀破损情况,检验了各形式胶筒在高温高压工况下的密封性能,为封隔器胶筒的设计和改进提供可靠的试验依据。     

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。     

响应曲面法优化封隔器胶筒密封性能参数的研究

利用有限元分析软件建立某压缩式封隔器胶筒的二维模型,分析53.85 MPa轴向载荷作用下,胶筒的端面倾斜角、胶筒子厚度、筒高和摩擦因数对胶筒与套管之间最大接触应力的影响。结果表明:最大接触应力随端面角的增加呈W形分布,随子厚度的增加先增大后减小最后趋于稳定,随胶筒筒高的的增大而减小,随摩擦因数的增大先缓慢减小后急剧增大;端面角为45°,胶筒子厚度取9 mm,筒高介于80～120 mm,摩擦因数在0.1～0.3范围内时,研究的封隔器的胶筒与套管之间最大接触应力较高,胶筒的密封性能较好。基于有限元分析结果,设计响应曲面法实验,研究多因子不同水平下胶筒最大接触压力响应的变化情况。结果表明:对最大接触应力影响最大的因子是摩擦因数,最小的是筒高,交互项端面倾斜角和筒高、端面倾斜角和摩擦因数、胶筒子厚度和擦因数、筒高和摩擦因数对响应具有显著性影响;胶筒密封性能最佳的因子组合方案为端面倾斜角为48.2°、子厚度为9 mm、筒高为90 mm、摩擦因数为0.1。     

深水测试密闭环空压力变化下的封隔器胶筒性能分析

为探讨深水测试双封隔器由密闭环空压力变化引起的变形与强度问题,建立双封隔器胶筒结构的力学分析模型。根据工作过程中封隔器间密闭环空压力的变化,对胶筒的密封性能进行分析,得到各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力的变化情况。分析采用胶筒不同圆形倒角参数时封隔器胶筒与套管的接触特性,研究胶筒倒角参数对封隔器密封性能的影响,得出封隔器的优化结构参数。结果显示：各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力均随密闭环空压力的增大而增大,其中下胶筒的增大幅度最明显;各胶筒变形量随着胶筒倒角的增大无明显变化,但等效应力随着胶筒倒角的增大均减小,而随着胶筒倒角的增大上胶筒和中胶筒的接触应力均增大,下胶筒的接触应力先增大后减小。因此,一定程度上增大胶筒倒角有利于提升封隔器的密封性能,倒角半径为0.75 mm时为最优结构。     

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。     

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。