快卸式筒形防喷器的研制

为满足修井和带压作业用防喷器需密封多种规格钻具,频繁更换胶芯以及过油管和油管接箍的要求,研制快卸式筒形防喷器。该防喷器采用锁块式连接,内外复合胶芯结构。应用非线性有限元方法,分析胶芯的密封性能以及胶芯接触压力与液控压力和胶芯厚度的关系。试验测试和现场应用表明,该防喷器具有体积小、开关迅速、液压流量小、更换胶芯方便快捷、密封范围大、密封安全可靠的优点,具有广泛的市场应用前景。     

煤层气带压修井用气胎式环形防喷器设计

为了满足煤层气带压修井快速作业的要求,解决原有环形防喷器胶芯磨损严重,需要频繁更换的问题,设计一种气胎式环形防喷器。该防喷器利用空气压缩原理,实现了油管接箍的快速通过;壳体和胶芯采用顶丝和花键连接,方便胶芯更换。采用有限元分析方法对该环形防喷器的关键部件胶芯的密封性能进行分析,得到胶芯密封压力随控制压力的变化规律,分析胶芯破坏的原因和破坏形式。结果表明:随着控制压力的增加,气胎式环形防喷器的密封压力逐渐增加,当控制核动力为4 MPa时密封压力稳定在7 MPa左右,满足作业中的密封要求;胶芯的中上部位置压力最密集,容易出现溢流现象,应加强该部位的硫化。     

无隔水管泥浆回收钻井系统吸入模块密封胶芯非线性摩擦接触分析

建立无隔水管泥浆回收钻井系统密封胶芯及钻具二维轴对称有限元模型,使用非线性有限元方法计算密封胶芯与钻具间的接触压力大小,验证密封胶芯在无隔水管泥浆回收钻井中的可行性。研究摩擦因数变化对接触压力的影响,分析密封胶芯Mises应力峰值和钻具与胶芯间的摩擦力分布规律。结果表明:摩擦因数与胶芯密封面和钻具间的接触压力成非线性关系,胶芯主密封段接触压力随摩擦因数增大而减小,而胶芯锥形密封段和凸鼻形密封段的接触压力随摩擦因数增大而增大;胶芯Mises应力随摩擦因数增大而变大,且胶芯与钻杆接头上端接触时Mises应力峰值最大,容易导致胶芯破坏;胶芯与钻具间的接触面积基本不随摩擦因数变化而变化,摩擦力随摩擦因数的增大近似成线性增加;胶芯与钻杆接头接触时,摩擦力较大且增长显著,说明胶芯与接头接触时更容易发生磨损。     

封井后提放钻杆过程中球形防喷器胶芯力学行为*

球形防喷器封井后强行起下钻作业极易导致胶芯密封失效,为研究动密封过程中防喷器胶芯失效机制,基于橡胶大变形理论建立球形防喷器动态密封数值模型,探究球形防喷器胶芯在封井和起下钻过程的应力分布和失效模式。结果表明：球形防喷器密封钻杆后,胶芯内壁会产生条状褶皱,支撑筋下板块拐角处产生鼓点状应力分布,颈部和背部存在应力集中现象;当钻杆倾斜时,钻杆与胶芯接触密封区也发生倾斜,胶芯左右两侧应力小幅增大;起下钻过程中,胶芯内壁的条状应力集中变为片状分布,钻杆接头进出密封区域时,接触应力发生突变。     

考虑蠕变特性的橡胶微凸体与金属表面接触特性分析

金属-橡胶接触广泛存在于密封结构中,密封接触表面上微凸体间的相互作用会直接影响整个密封界面的接触特性,进而影响其密封性能。基于粗糙密封界面的单个微凸体,考虑橡胶的蠕变特性,采用理论分析和仿真研究相结合的方式研究橡胶微凸体与金属表面的接触特性。通过橡胶蠕变特性的实验结果,构建橡胶蠕变计算模型;构建半球微凸体与金属平板间的有限元模型,进行考虑蠕变特性的仿真,分析其接触特性,并与Hertz接触理论的计算值进行对比。结果表明：在蠕变阶段,接触半径、法向变形量和最大等效蠕变应变均随蠕变时间的增加而增大,最大接触压力随蠕变时间增大而减小,这均可能导致密封性能的下降;随压力载荷的增大,接触半径、法向变形量、最大接触压力和最大等效蠕变应变均增大,但增大的趋势逐渐减小;橡胶微凸体与金属表面间的等效模量随蠕变时间的增加而减小,随压力载荷增大而增大。     

封隔器胶筒力学仿真模型的建立

封隔器密封胶筒通过轴向压缩在径向产生超大变形量,与套管接触并产生足够大接触压力实现密封,加上其高度非线性特点在技术上大大增加了力学仿真的难度。通过密封胶筒结构及关键作用点的分析构建大变形实体模型;在各项同性理论基础上比较不同阶数应变能函数的材料力学特性匹配程度;根据目标面和接触面非线性特征选择合适的刚柔体接触,建立超大变形量、高度非线性密封胶筒有限元分析技术;最终在兼顾胶筒肩部挤出量和密封结构稳定性基础上,通过倒角的优化设计有效地改善了肩部挤出现象,从而为大幅度缩短密封胶筒创新结构研发周期奠定了基础。     

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。     

高保压液压缸组合密封仿真分析与装配精度控制研究

针对断路器液压操纵机构液压缸组件密封问题,开展了高保压液压缸组合密封仿真分析与装配精度控制研究,提出了一种基于油膜厚度的密封配合精度计算方法。利用弹性流体动力润滑理论计算出典型液压动密封的流体膜厚、泄漏量与黏性摩擦力以评估动密封性能,通过结构非线性有限元计算出的密封接触压力拟合出弹性润滑理论中密封处油膜压力,并使用一维稳态雷诺方程逆解建模以获得有限元接触压力和油膜厚度之间的关系,最终通过选配方法在精密偶件装配中进行了控制,并通过数值仿真与实验相结合来验证该方法的有效性。     

过油管防喷器胶芯的模糊可靠性优化设计

过油管防喷器密封胶芯是油田作业井带压起下施工的核心密封部件,其结构设计关乎整体密封质量和使用寿命.运用模糊可靠性优化理论,在保证实现密封的前提下,以胶芯体积最小为目标函数,以其设计参数为设计变量,考虑胶芯接触应力的模糊可靠性和简体几何尺寸的综合约束,完成了胶芯模糊可靠性优化设计,获得了符合要求的胶芯筒体最优解,克服了传统优化设计的不足,为模糊可靠性优化设计理论在油田装备设计与改造工作中的应用与推广提供了实例.     

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。     

球形防喷器胶芯失效分析

球形防喷器胶芯是井控设备中的易损件,弄清胶芯的失效形式和原因对于提高其使用寿命和可靠性具有重要意义。根据球形防喷器的工作原理,分析胶芯在几种典型工况下的受力与变形规律;结合现场使用情况,总结出胶芯的主要失效形式有:胶芯上表面开裂和层块状脱落;胶芯内壁大块脱胶;胶芯底部与活塞接触处橡胶开裂;胶芯不能密封住井底高压流体;封井后胶芯不能及时恢复等。综合分析上述各种失效形式后,认为提高球形防喷器胶芯的密封可靠性和性能,应主要从胶芯材料和结构方面入手,即应优化胶芯和支撑筋的结构形状和尺寸,降低胶芯中的峰值应力;应改进胶芯橡胶材料配方和硫化工艺,提高橡胶的抗拉性能、扯断永久伸长率、耐油性能、抗老化性能等。     

带压作业闸板防喷器胶芯磨损行为研究

针对带压作业时闸板防喷器胶芯的耐磨块易发生磨损导致密封失效和起下旧管柱时其工作寿命较小等问题,对带压作业过程中闸板防喷器胶芯磨损行为进行研究。以某油田现场使用的闸板防喷器胶芯为对象,从微观角度分析带压作业过程中胶芯耐磨块主要磨损机制和表面粗糙度对耐磨块磨损机制的影响;利用有限元软件建立胶芯动静密封模型,从宏观角度分析不同工况和摩擦因数对闸板胶芯密封性能及耐磨块磨损规律的影响。结果表明:带压作业过程中耐磨块主要磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损,管柱的粗糙度越大,耐磨块磨损越严重;井筒压力造成的胶芯上部应力集中是耐磨块上部磨损严重的主要原因;管柱与耐磨块圆弧面间的摩擦因数应控制在0.1以内,否则会加速耐磨块的磨损。     

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。     

表面粗糙度对油套管特殊螺纹密封面性能的影响

以往对油套管特殊螺纹密封的数值模拟都是在光滑平面的基础上展开的，不能真实反映油管连接时载荷接触状况。运用蒙特卡洛法建立考虑粗糙度的油管密封面接触模型，分析表面粗糙度、接头母扣球面半径、内压载荷对油管密封面性能的影响。结果表明：同一过盈量下，密封面粗糙度越小，平均接触压力越小；母扣球面半径越大，密封面接触长度越长，贴合度越高；随着内压的增加，由于公扣密封接触面上的微凸体与锥面的接触次数逐渐增多，并且在相互接触的情况下，其弹性变形程度逐渐降低，而塑性变形增大，此时因接触长度增大，密封表面具有较好的密封性能。     

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。     

基于磁法的油管接箍检测研究

油管接箍检测装置是实现不压井作业过程中对油井保压密封的核心环节。采用磁法检测原理研制的螺旋电感线圈可准确检测到油管接箍的位置,依此控制环形防喷器的动作。既保证胶芯不被损坏,又保证井口密封。首先借助Ansoft电磁场有限元分析软件,分析了电感线圈的参数对检测效果的影响规律。包括电感线圈的骨架高度、骨架内径、线径大小、匝数。试制电感线圈并试验验证了仿真结果的准确性。     

考虑粗糙度效应的微孔化机械密封摩擦副接触特性分析

针对机械密封装置在启停阶段或某些特定工况下出现高温以及摩擦磨损严重等问题，探究考虑粗糙度效应的微孔化机械密封端面接触压力及温升的变化规律，以揭示机械密封端面的真实接触状态。基于分形理论建立机械密封静环粗糙表面和动环微孔接触模型，采用数值计算方法，研究微孔对机械密封端面接触压力和温升的影响，以及表面粗糙度对机械密封端面接触面积、接触压力、温升的影响。结果表明：微凸体经过微孔时，微凸体嵌入微孔边缘使得接触压力峰值增大，导致切削发生；摩擦过程中，压力最高点位置因为微凸体的弹塑性变形而不固定，改善了微凸体的受力情况；微孔降低了密封端面的接触面积，从而使得微凸体的接触减少、压力极值点减少，降低了密封端面摩擦副的温度，改善了密封端面的磨损状况；表面粗糙度越小，接触面积越大，接触压力、端面温度更加均匀，表面粗糙度越大，端面磨损风险更加严重。     

混合润滑条件下的斯特封高速摩擦与密封特性

为准确研究斯特封高速摩擦与密封特性,基于混合润滑理论,综合流体空化效应、密封接触变形和微观粗糙峰接触等因素影响,建立了斯特封摩擦与密封的数值计算模型。研究了往复运动速度和密封压力对油膜厚度、摩擦力和泄漏量的影响,搭建了往复密封试验台来验证模型的准确性。结果表明：计算摩擦力与实验摩擦力相近。混合润滑模型能更好地模拟高速柱塞副斯特封的摩擦与密封特性,油膜压力与粗糙度接触压力共同影响密封性能,但粗糙度接触摩擦起主导作用。     

双扩口管接头拧紧过程中密封状态分析

为研究汽车制动管双扩口管接头在拧紧过程中的密封性能,借助有限元分析方法构建弹塑性材料模型,研究轴向位移载荷对密封性能的影响;分析管接头在拧紧过程的摩擦力矩,得出轴向拧紧力与扭矩的关系公式;结合金属多线性强化模型与ANSYS非线性仿真,分析双扩口管接头在拧紧过程中的应力与接触面压力动态变化过程,通过扭矩高压泄漏性实验验证仿真方法的有效性。结果表明:随着位移载荷的增大,管接头蘑菇头最大应力与变形增大,接触面压力和密封宽度增大,且接触压力分布区域稳定,在接触面上形成两道密封环;而随着位移载荷的增大,蘑菇头厚度逐渐降低,其表面凹陷加深,当位移载荷增大到一定值时,蘑菇头存在被切断的风险。