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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

遇油膨胀封隔器的封隔性能研究

基于封隔器的密封性判据和结构设计方法,在对遇油膨胀封隔器的吸油膨胀进行热膨胀描述的基础上,通过ANSYS有限元计算遇油膨胀封隔器在井下的接触压力,建立封隔器封隔性能分别与胶筒长度、厚度关系的计算模型。结果表明,遇油膨胀橡胶的热膨胀与吸油膨胀相一致,通过膨胀橡胶的热膨胀分析可以合理描述出膨胀橡胶吸油膨胀后的状态。有限元分析表明,随着胶筒长度和过盈厚度的增大,封隔器的封隔性能都呈指数规律增大。     

封隔器的密封性判据及结构设计方法研究

在理论分析基础上,提出封隔器密封性的评判准则,建立考虑封隔器封隔性、地层完整性和封隔器胶筒安全性等综合因素的封隔器密封性判据,提出基于封隔器密封性判据的封隔器结构设计方法。该方法可以利用数值模拟的方法实现对封隔器胶筒的结构设计,可适用于不同类型的封隔器的设计,为现场封隔器的密封性判断以及封隔器的结构设计提供了理论依据。     

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。     

水下设备密封胶筒截面形状的响应面优化

胶筒的密封性能对于封隔器等水下设备来说极为重要,而胶筒的截面形状是影响胶筒密封性能的重要因素之一。一般来说,胶筒的上端与下端受到的约束条件并不相同,并且在密封性能方面,胶筒上端接触压力更大,且胶筒的各个结构参数相互影响。因此建立综合考虑胶筒上端厚度与倒角角度的二维数值模型,以外筒内侧受到的应力为优化目标,引入防肩突变量作为防止肩突发生的约束条件,利用响应面优化方法结合多目标遗传算法,对胶筒的端面厚度和角度进行优化。结果表明：在有限元仿真中,防肩突变量可有效地反映出胶筒在挤压过程中是否出现的肩突情况;在优化过程中加入防肩突变量进行约束,可避免得到产生肩突的胶筒结构参数值。优化得到了胶筒上端厚度比下端厚度大的胶筒截面结构,其密封性能比传统的胶筒截面结构更有优势。提出的不对称胶筒截面形状对类似密封件的研究有重要的理论意义。     

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。