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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

梯形隔环和槽形胶筒组合式封隔器密封结构的优化设计

为了提高封隔器的密封性能,设计一种沿径向对称的梯形隔环和槽形胶筒组构成的新型密封结构,运用有限元分析方法模拟封隔器的工作状况,分析梯形隔环结构特性参数对封隔器密封性能影响,获得不同梯形隔环结构参数下封隔器胶筒组与套管壁间接触应力分布规律,并对新型密封结构进行优化。结果表明:新型密封结构选择梯形隔环中心线距离隔环端面距离10 mm、梯形隔环下底高9 mm、梯形隔环上底高8 mm,梯形隔环高度9 mm的特性参数时,其最大接触应力比常规密封结构提高了约84%。新型密封结构的胶筒组与套管壁的接触应力比常规封隔器有显著提高,提高封隔器的密封性能。     

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。     

基于ANSYS的封隔器接触应力分析及结构优化

封隔器是油田采油中重要的井下工具之一。封隔器的工作好坏,密封是关键。胶筒与套管之间的接触应力的大小,可以直接反应出封隔器的密封能力,接触应力越大,封堵压差的能力就越高,密封效果最好。采用非线性有限元分析方法,对封隔器胶筒与套管之间的接触应力进行研究,并对胶筒的壁厚进行了结构优化。综合考虑封隔装置受挤压后的变形过程和受力过程,得到此型号封隔器胶筒的最优壁厚。将最优胶筒壁厚的有限元分析结果与地面实验结果进行比较,前者可行有效,且具有较好的工程应用价值。     

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。     

封隔器胶筒接触应力的有限元分析

通过实测封隔器胶筒所用橡胶材料的应力应变数据，在ANSYS有限元分析软件中用超弹性本构模型对实验数据进行拟合，通过比较选择了能更精确描述封隔器胶筒的应力应变关系的Yeoh模型，进而对封隔器压缩式胶筒的接触应力进行了数值模拟，得到接触应力沿轴向的分布情况。     

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。     

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。     

考虑温度和扭转载荷的封隔器胶筒可靠性研究

探讨胶筒密封的可靠性及其评价方法,利用ABAQUS分析软件建立某封隔器胶筒的有限元模型,分析工作载荷为58.15 MPa时,温度变化(25～100℃)对胶筒的密封可靠性、弹性变形可靠性和损伤可靠性的影响,分析温度和扭转载荷对胶筒损伤可靠性的影响。结果表明:轴向载荷不变时,随着温度的升高,胶筒的密封可靠性、压缩永久变形率和回弹极限逐渐增加,胶筒的使用寿命也随温度的增加而提高,在100℃下密封性能系数达到2 297.8 MPa·mm,回弹极限达到27.27 mm,使用寿命达到约67天;随着温度的升高,胶筒发生疲劳的部位从下端向上端转移;扭转载荷将降低胶筒的使用寿命,温度越低扭转载荷越大,使用寿命降低越明显。     

三种结构封隔器胶筒变形稳定性对比研究*

建立封隔器胶筒的有限元分析模型,模拟圆筒型、梯形环槽型、半圆环槽胶筒型3种不同类型胶筒的变形过程,对不同类型的胶筒在约束变形阶段的稳定性进行分析;提出通过仿真数据判断胶筒稳定性的方法,对比3种不同类型胶筒的稳定变形过程。结果表明:随着高径比的增加,3种不同结构的胶筒均会出现不稳定变形的现象;拥有支撑环的胶筒(梯形环槽型、半圆环槽胶筒)比圆筒型胶筒更容易出现不稳定变形,其中,半圆环槽型胶筒所需的稳定变形载荷比梯形的更大;材料差异对稳定变形载荷的变化趋势影响较小,仅对3种胶筒达到稳定变形的载荷值有影响。     

封隔器胶筒关键因素分析及创新概念设计

胶筒密封的失效会给石油开采工艺带来难以估量的损失。在获取用户对密封胶筒可靠性需求的基础上,通过二元比较和多粒度粗糙集集成的方法计算用户需求的耦合权重,应用产品规划质量屋(Quality Function Deployment,QFD)将用户需求转换为技术特性,最终识别出影响胶筒密封可靠性的关键因素并确定其重要度,运用模糊聚类分析将胶筒密封可靠性影响因素进行归类。最后,应用TRIZ理论对胶筒进行创新设计。该文对于研究提高胶筒密封可靠性的措施和对胶筒进行可靠性设计具有重要意义。     

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。     

基于安全系数法的封隔器胶筒可靠性研究

针对目前胶筒的结构易失效和可靠性低等问题,以胶筒的抗剪失效为目标,基于安全系数法,引入设计变量的随机性,建立正态分布下胶筒的可靠性模型。对胶筒工作应力和强度的影响因素进行分析,基于相邻目标优属度的AHP方法,综合获得可靠性模型的相关参数值;对密封胶筒静强度可靠性要求下的可靠性安全系数进行计算,并给出不同层次下密封胶筒可靠性安全系数的参考值。建立胶筒的有限元分析模型,根据剪切应力评价准则计算了胶筒可靠性安全系数的取值范围,并通过实例验证理论计算结果的合理性。