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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

油浸封隔器胶筒力学性能试验及相关性机制研究

按照国标规定方法对油田常用4种封隔器胶筒胶料进行油浸试验,通过单轴拉伸试验获得4种材料的应力-应变曲线。试验结果表明,油浸后胶料的拉断强度与非油浸相比均下降约20%,油浸和非油浸胶料的应力-应变关系趋势基本相同,而随着变形的增加,油浸后胶料逐渐变硬。采用链状分子统计力学进行胶筒材料油浸相关性机制研究,发现油浸后材料产生溶胀以及溶胀引起应变均影响应变能密度函数的形式,与试验结果所得油浸后胶筒应力-应变关系变化趋势相符合。研究结果为更加合理建立封隔器胶筒的本构关系奠定了基础。     

基于Ansys的封隔器密封胶筒性能优化

封隔器密封胶筒在井下实际应用中力学特性复杂,同时需要承受高温高压饱和水蒸汽的强腐蚀作用,故对胶筒材料性能的要求异常苛刻。为改善密封胶筒的结构稳定性及高温高压水耐腐性,以密封胶筒为研究对象开展有限元仿真分析,通过胶筒结构参数、界面摩擦性能和材料特性等因素对其力学特性及密封性能影响规律的比较,提出软硬质材料多层堆叠及环端面金属包覆结构以实现性能优化。仿真结果表明,优化后的结构改善了密封胶筒肩部的挤出现象,增大了接触区域的密封效果,同时阻挡了高温高压水对胶筒的腐蚀。     

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。     

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。     

液体火箭发动机用橡胶密封材料低温密封性能

为研究液体火箭用橡胶密封材料的低温密封性能,采用多种橡胶材料低温特征温度测试方法对液体火箭发动机常用的5种橡胶密封材料低温性能进行表征,在不同压缩率、不同工作温度及不同压差下对各橡胶密封材料在低温下的密封能力开展试验研究。建立橡胶密封圈仿真模型,分析橡胶密封圈在不同工作温度及不同压差的密封性能,并探讨其低温密封机制。研究结果表明：低温环境下橡胶低压缩率下的密封能力高于高压缩率下的密封能力;低温环境下由于橡胶的低温收缩和弹性模量急剧增大,在低压差下难以导致橡胶材料变形从而形成密封,须提高压差使得密封表面产生足够接触压力而形成密封。因此橡胶材料低温密封能力与材料低温收缩性能、弹性模量及压差相关,且工作温度超过橡胶低温下临界温度后,O形圈密封能力弱,易发生泄漏。     

高温超高压金属弹性环密封技术研究

针对氟橡胶O型圈只能使用在210℃、210 MPa的难题,设计了一种新型弹性环密封结构。该新型弹性环密封结构能使氟橡胶O型圈在250℃、250 MPa工况下安装简便、可靠密封。通过有限元分析方法,针对弹性环密封结构中的弹性环,分析各结构参数对弹性环的应力和变形的影响,快速、准确确定弹性密封结构尺寸。该密封结构在一定程度上可替代金属密封结构。     

连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响

为研究连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响,归纳连续管常见磨损形式并构建其磨损几何模型,以通径为38.1 mm防喷盒胶筒为例,通过实验得到其材料本构模型参数,建立防喷盒胶筒密封连续管的有限元模型;以有效接触应力和最大Mises应力为指标,分析连续管的磨损形式、磨损深度、磨损长度以及偏磨角度对胶筒密封性能的影响。结果表明：连续管偏磨形式对胶筒密封性能影响较大,连续管偏磨段长度大于胶筒高度且偏磨深度大于1 mm时,胶筒密封能力会出现不能满足井口密封要求的情况;偏磨角度会影响胶筒的应力分布,从而影响密封性能。     

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。     

航天飞行器用高温密封测试技术研究

航天飞行器用高温密封的工作环境苛刻,为保障飞行安全需进行密封件性能测试,然而现有的测试设备和方法无法达到理想的高温高压且可变的模拟工作环境。以W形金属密封圈气密性测试为例,设计密封件试验器并搭建高温热密封试验平台;对试验器模型进行瞬态热分析,得到试验器温度场分布和结构总变形;完成W形金属密封圈从室温至740 ℃的多种温度、0~1.2 MPa内外压差工况下的连续、自动化的泄漏率测试。结果表明：试件在试验器内受热均匀,可达到要求的最高温度740 ℃,试验器可承受1.1 MPa内压,在高温工况下无塑性变形;提出的测试技术可有效判定不同W形金属密封圈的密封性能优劣,可实现W形密封件在多种压差、温度工况的气密性测试。