压缩式封隔器密封胶筒有限元分析及改进

针对常规压缩式封隔器密封胶筒存在的问题,对常规型和改进型封隔器胶筒在不同坐封载荷下的接触应力进行对比分析,以提高封隔器下井安全性、工作稳定性和密封可靠性。结果表明：改进后的新型压缩式封隔器胶筒比常规封隔器胶筒具有更高的承压能力,使管柱的下井安全性能大幅提高,满足了现场操作需求,提高了下井成功率。     

封隔器胶筒结构改进及优势分析

井下用封隔器的关键部件为弹性密封元件(胶筒),其结构影响到封隔器的密封性能。由于传统的封隔器结构为三胶筒,浪费材料、装配复杂,对胶筒结构进行改进,在精简胶筒数量的基础上,增加了1层紫铜包络层。采用非线性有限元分析方法,对传统胶筒结构和改进型胶筒结构的对比分析发现:改进型结构上胶筒起主要密封作用,接触应力比传统胶筒结构有明显提高,验证了改进型结构的可行性。     

封隔器胶筒接触应力分布有限元计算

利用ANSYS软件对3种封隔器胶筒的接触应力进行了有限元计算，得到了接触应力沿胶筒轴向的分布情况。比较不同结构封隔器胶筒在相同条件下的接触应力分布，可知新型封隔器胶筒在高压下接触应力分布更为均匀合理，具有较好的应用前景。     

常规高压封隔器密封胶筒力学分析

介绍了封隔器的类型和密封原理,建立了常规高压封隔器密封胶筒的有限元分析模型,分析计算了不同轴向压力(50～100 kN)下胶筒的变形和应力变化情况.分析计算结果表明,最上面的胶筒承受的力最大,与实际情况完全吻合,为实际操作提供了理论依据.     

裸眼中途测试压缩式封隔器胶筒改进研制

针对中途测试掉胶筒和胶筒骨架失效的问题，检验了现用裸眼压缩式封隔器胶筒和胶筒骨架材料的理化性能，在此基础上，有针对性地改良了胶筒材质及成型工艺，改进了胶筒骨架选材、结构及其热处理工艺。用氟橡胶制作、注胶方式模压成型的改进胶筒各项指标都高于标准要求，优于裹胶方式制作的胶筒。在允许测试压差范围内，改进后的封隔器胶筒下井使用正常。     

三胶筒封隔器胶筒硬度优选

基于三胶筒封隔器的密封原理、技术特点,并通过理论计算和建模分析可知,三胶筒斜面变形严重,对径向压力影响较大,在三胶筒设计时应首先考虑中间胶筒的硬度最大化,边胶筒硬度小,当胶筒硬度设计组合为80HSA/90HSA/80HSA的胶筒组合最大径向压缩比为44.82％,此种胶筒组合方式最佳,三胶筒设计具有一定的指导意义.     

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能，且胶筒属于超弹性材料，在井下多种载荷作用下，其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象，建立了封隔器密封元件的有限元力学模型，分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响，得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律，研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。     

THT封隔器胶筒力学行为有限元分析

针对THT封隔器胶筒井下失封、断裂、脱落等情况,运用ANSYS软件对THT封隔器的胶筒力学行为进行有限元分析。根据THT封隔器工作原理与结构特征,建立胶筒-胶筒接触有限元模型,得到胶筒与套管接触应力云图。有限元分析结果显示,胶筒接触应力沿轴向递减分布,加载端接触应力大于远离端;倾斜角和加载方式对接触力有明显影响,小倾斜角下接触应力递减平缓,但最大接触应力较小;大倾斜角的接触应力与小倾斜角相反。经过分析对比,倾斜角在80°时,接触应力最优;与单向加载方式相比,双向加载方式能很好地避免因摩擦力而导致的接触力沿轴向分布不均现象。     

封隔器胶筒应力数值模拟与结构优化研究

封隔器胶筒是具有弹性密封、用以保护套管的井下工具,其结构形式和材料性能决定封隔器的密封压差。利用MARC有限元分析软件模拟封隔器胶筒的密封状态,分析计算轴向载荷、密封压差与接触压力之间的关系及封隔器胶筒结构对它的影响,获得了胶筒高度、外斜角、外径等优化结构参数,提高了封隔器胶筒的耐压差性能。     

双胶筒封隔器的研究与应用

针对萨北油田目前注水井用封隔器普遍存在的洗井滑套胶圈过孔易被刮坏、洗井后洗井滑套不归位、封隔器坐封后有效密封面积小、解封机构不合理及解封成功率低等问题，研究应用了双胶筒封隔器。主要介绍了该封隔器的研究试验情况及其工艺特点，并通过对现场试验情况的分析，进一步阐明了该封隔器对于提高注水井密封率和注水合格率，降低作业施工难度方面的重要作用。     

基于有限元的封隔器密封性能影响因素分析

选择了能够合理描述封隔器胶筒受力变形的Yeoh模型,通过试验测得封隔器胶筒材料的应力与应变关系,利用MATLAB计算了Yeoh模型的常数。对封隔器胶筒进行有限元分析,得到胶筒压缩距、肩部"突出"以及接触应力随坐封载荷的增加而增加;胶筒肩部"突出"使最大接触应力的作用区域变小,且由胶筒中部逐渐转移到加载端,造成胶筒与套管的接触应力分布不均匀,使胶筒密封的可靠性降低。通过试验得到坐封力与压缩距的关系,验证了有限元模型的正确性。     

耐高温高压双封封隔器的改进与应用

针对大庆火山岩储层特性,改进了高温高压双封封隔器胶筒橡胶件,研制一种双马来酰亚胺(BMI)改性氟橡胶高性能材料,将其作为封隔器胶筒的主体材料。改进后的封隔器能够满足最大下深4500 m、最高温度180℃、最大压差60 MPa的储层试气施工。通过室内试验和3井次现场施工,均获成功。     

高温高压尾管顶部封隔器研制

常规尾管顶部封隔器无法满足深井、超深井及海洋油气井的高温高压环境对尾管固井作业的需要。依据O形密封圈高温高压密封机理分析,完成了"金属+橡胶"式封隔器密封结构的研制。研究了硫化橡胶厚度、防退锁紧装置、膨胀锥角、坐封力及硫化工艺等关键技术与高温高压密封性能的关系,并优化了主要性能参数。通过对3种氟橡胶材料在高温下的力学性能研究,优选氟橡胶A作为封隔器橡胶密封材料。开发了井下工具的高温高压试验装置,并进行了地面性能评价试验。研究结果表明,高温高压尾管顶部封隔器在204℃下正反双向密封70 MPa,达到现场高温高压井的使用要求。     

CO2驱注气井封隔器橡胶材料腐蚀力学性能研究

由橡胶组成的封隔器胶筒是封隔器的核心部件,其性能直接关系到封隔器密封性能的好坏。CO2驱注气井中,CO2对橡胶材料的腐蚀易导致封隔器密封失效,进而引起环空带压,危及注气井的安全生产。为此,借助高温高压釜模拟井底真实环境进行了丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶两种材料的腐蚀试验,分析比较了气相和液相腐蚀条件下橡胶腐蚀后材料力学性能和腐蚀形貌的变化。研究表明,丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶在腐蚀后其拉伸性能均明显下降,硬度也有一定降低,液相环境下的腐蚀较气相环境下的腐蚀更加严重。因此,在工程设计中应充分考虑实际工况对橡胶力学性能的影响,不应以原始状态下橡胶的力学性能为依据。该研究成果可为CO2驱注气井及其他同类气井封隔器胶筒材料的选择提供参考。      

温度对压缩式胶筒接触压力的影响研究

利用SB802热机综合疲劳试验机进行了硫化丁腈橡胶在不同温度条件下的力学性能试验,得到了橡胶材料的应力-应变关系曲线。通过有限元软件拟合了橡胶的Yeoh材料模型,构建了橡胶的本构关系公式,完成了压缩式胶筒的接触压力分析,得到了在不同温度下胶筒的应力分布云图以及接触压力沿轴向的分布规律。研究结果表明,当温度在不同范围内变化时,温度对胶筒接触压力的影响存在不规则性。该项研究结果可为压缩式胶筒的进一步研究提供理论基础。     

裸眼中测压缩式封隔器胶筒材质与力学分析及其改进

针对中途测试掉胶筒的问题，首先检验了现用裸眼压缩式封隔器胶筒的理化性能，对掉井概率最高的压缩式封隔器胶筒的材质和应力进行了分析，在此基础上，改良了胶筒材质及成型工艺，以胶筒强度安全为条件提出了裸眼中测允许测试压差的计算方法。检验表明，现用丁睛橡胶制作的、用裹胶方式模压成形胶筒的拉伸强度与扯断伸长率达不到标准要求；用改进氟橡胶制作、用注胶方式模压成型胶筒的各项指标都高于标准要求，最高耐温达到190℃，最大工作压差70MPa，优于用丁睛橡胶制作的胶筒。用改进材料制作的胶筒，在允许测试压差范围内下井使用，未发生掉胶筒事故，基本解决了裸眼中测胶筒损坏的问题。     

裸眼中测封隔器胶简骨架材质与力学分析及其改进

针对裸眼中途测试封隔器胶筒骨架落井现象，在对压缩式裸眼测试封隔器胶筒骨架材质分析的基础上，运用有限元方法对胶筒骨架应力和变形进行了分析，并以胶筒骨架强度安全为前提提出了裸眼中测允许测试压差的计算方法。分析结果表明，“细脖子”与扣盘结合处应力最大，最易损坏；球墨铸铁虽有较高的强度和韧性，但脆性较大，在较大冲击载荷下易损坏。为此，提出用强度更高且易磨的优质合金结构铜35CrMo取代球墨铸铁作为胶筒骨架材料，并在胶筒骨架与橡胶接触部位加工了特殊形状的容胶槽，从而提高了胶体与胶筒骨架的结合强度。     

裸眼中测封隔器胶筒骨架材质与力学分析及其改进

针对裸眼中途测试封隔器胶筒骨架落井现象,在对压缩式裸眼测试封隔器胶筒骨架材质分析的基础上,运用有限元方法对胶筒骨架应力和变形进行了分析,并以胶筒骨架强度安全为前提提出了裸眼中测允许测试压差的计算方法。分析结果表明,"细脖子"与扣盘结合处应力最大,最易损坏;球墨铸铁虽有较高的强度和韧性,但脆性较大,在较大冲击载荷下易损坏。为此,提出用强度更高且易磨的优质合金结构钢35CrMo取代球墨铸铁作为胶筒骨架材料,并在胶筒骨架与橡胶接触部位加工了特殊形状的容胶槽,从而提高了胶体与胶筒骨架的结合强度。