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。     

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。     

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。     

闸板防喷器胶芯密封参数算法研究及结构要素优化

闸板防喷器胶芯密封参数算法研究及结构要素优化林军，伍开松（西南石油学院）１前言闸板防喷器封井，主要由固联于闸板总成的胶芯来完成。工作时，高压油井入油缸关闭腔，推动左右闸板总成，同时向井口中心移动，致使胶芯前部像胶环状部分与钻具以及左右闸板胶芯前部橡肢...     

球形防喷器胶芯支承筋的三维有限元分析

球形防喷器胶芯支承筋的三维有限元分析林军，伍开松（西南石油学院）１前言球形防喷器是保证钻井作业顺利进行，防止井喷事故发生的关键设备，如图１示。封井时，活塞上行推动胶芯，使储备于支承筋间的橡胶，因支承施互相靠拢并受顶益约束而被挤向井口中心，实现密封钻具...     

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.     

基于实验的旋转控制头胶芯密封面寿命优化

欠平衡钻井起下钻过程中,旋转控制头胶芯受到交替循环载荷易发生疲劳失效。首先对旋转控制头的密封原理进行分析,得出了动态密封过程中胶芯的受力情况。然后对胶芯材料进行拉伸试验,确立了变形过程中Yeoh本构模型。再应用Abaqus软件建立了胶芯动态密封有限元模型,进行了起下钻过程中胶芯密封过程的模拟以及影响胶芯密封面疲劳寿命的因素进行了优化分析。对胶芯内径进行了优化,对不同外径钻杆应搭配的胶芯内径尺寸进行优化,得到了常用钻杆最优的钻杆胶芯组合。还对不同井口压力作用下钻杆下放和上提速度进行了优化,井压越大越容易造成胶芯疲劳失效,得出了不同压力条件下钻杆的安全下放和上提速度。最后按照中国标准在中国国家石油工业井控设备质量监督检验中心进行了室内密封试验以及现场应用试验证实了有限元优化的可靠性,对提高胶芯使用寿命和油田作业安全具有重要现实意义。     

气控环形防喷器密封胶芯大变形分析

针对气控环形防喷器胶芯在密封过程中的大变形以及与油管存在密封压力难以计算的问题,建立胶芯物理模型,结合厚壁筒理论与橡胶本构方程,同时考虑胶芯的材料非线性和几何非线性,探讨防喷器密封过程中胶芯变形与接触压力的变化。根据胶芯变形过程中无变形阶段、自由变形阶段和接触变形阶段的不同受力状况,利用迭代的方法对每个离散微段施加控制压力,得到不同控制压力下胶芯变形量与接触压力,并与仿真结果进行比较。结果表明:在自由变形阶段,随控制压力增加,胶芯变形量逐渐增大且由中间向两侧逐渐减小;在接触变形阶段,胶芯内径保持不变,且与油管间接触压力不断增加。采用胶芯变形理论方法计算的接触压力变化规律与仿真结果基本相同,验证了胶芯变形理论计算方法的正确性。     

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。     

旋转控制头密封胶芯力学行为和失效分析

针对欠平衡钻井中旋转控制头的密封胶芯经常失效的问题,根据旋转控制头的工作原理以及胶芯的材料特点,分析胶芯在几种典型工作状态下的受力与变形规律,以及胶芯失效的形式和原因。结果表明：胶芯的主要失效形式为胶芯侧面拉压疲劳开裂、顶部剪切疲劳开裂、底部疲劳膨胀开裂,以及胶芯内锥面与内圆柱面交界处橡胶的脱落和胶芯内表面划伤、形成沟槽等;胶芯失效主要是由铁芯与橡胶连接部位的应力集中、起下钻中胶芯所受变应力的反复作用、胶芯与钻具间的摩擦力等方面引起的。提出在结构设计、材料选取、操作使用过程中合理地控制上述因素,以改善胶芯性能,提高其使用寿命和可靠性。     

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。     

油气井旋转防喷器密封失效分析及对策

在欠平衡钻井过程中,旋转防喷器是关键设备,而密封胶芯是其核心密封元件;旋转动密封现场使用效果除受自身设计限制外还受到很多外在因素的影响。现分析密封胶芯失效形式和旋转动密封失效原因,以指导旋转防喷器的正确使用,为旋转防喷器的优化设计提供参考。     

基于PTC Creo的环形防喷器Top-down设计

为实现防喷器参数化和系列化设计,提升设计质量和效率,在PTC Creo软件平台上,运用Top-down方法设计球形胶芯环形防喷器。通过概念设计、骨架模型设计和组装设计,实现设计参数从顶层(布局)向底层(模型)的无缝传递,进而实现设计参数对模型几何的控制。利用PTC Mathcad软件完成防喷器设计计算并与PTC Creo进行数据交换。在此基础上,通过建立参数表实现对35 MPa的某系列球形胶芯环形防喷器系列化设计。设计表明,Top-down方法具有更高的效率,更易于参数的修改,更有利于系列化产品的快速开发。     

FHZ28-105环形防喷器的研制

根据超深井油气开发的需求以及各界不断重视井控装备的安全性,提高设备配置安全系数的要求,研制了105 MPa超高压环形防喷器.该防喷器承压件采用锻件,壳体为高脚杯结构,胶芯为锥形,采用有限元进行优化设计,研制了密封可靠性较高的胶芯.该防喷器具有结构简单,承压能力强,密封可靠的特点.通过试验表明,其各项性能指标符合API Spec 16A规范和GB/T 20174的规定.     

闸板防喷器可控柔性密封性能分析

通过对闸板防喷器可控柔性密封的工作环境、密封原理的分析,提出采用丁腈橡胶作为密封基体、聚酰胺材料作为耐磨体组成的可控柔性密封胶芯结构,可大大减少密封橡胶的磨损量,延长胶芯的工作寿命。结合开关型可控柔性密封工作原理,建立胶芯的数值分析模型,通过运用Cosmos和Ansys分析软件对所建模型进行有限元分析。分析结果表明胶芯整体受力和变形满足设计要求,分析结果与实际胶芯的破坏部位相吻合。     

复合材料胶接强度分析

以Von Mises屈服准则为胶层失效判据及基于应力分布的三维Hashin失效准则为复合材料层合板失效判据,采用材料刚度退化的方法,在ANSYS中建立了考虑复合材料层合板和胶层失效的复合材料胶接强度分析模型;利用该模型对复合材料胶接强度进行了准确预测.重点研究了胶层厚度和胶接长度两个设计参数对复合材料胶接强度的影响,结果表明:胶接强度在一定范围内随着胶层厚度和胶接长度的增大而增大,呈非线性关系.     

闸板防喷器失效的事故树分析

以闸板防喷器失效为顶事件建立事故树,通过对事故树的定性分析,得到了最小割集及结构重要度,确定了闸板防喷器主要失效形式为腐蚀失效、主要密封件的损坏、闸板总成损坏及潜在损坏,并提出相应的改善措施.     

液压力对吸入模块密封胶芯性能影响研究

以在我国南海深水服役的无隔水管钻井液回收钻井系统为对象,为了解决密封胶芯寿命低的难题,进行吸入模块密封胶芯有限元分析,研究胶芯在海底工作时单面受压和双面受压对胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值的影响,分析不同液压力下胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值的分布规律,以期为胶芯延寿提供技术参考。胶芯材料模型采用近似不可压缩弹性材料的两参数Mooney-Rivlin模型函数,采用罚函数法进行求解。研究表明,海水液压力对胶芯与钻具间的接触压力、胶芯von Mises应力峰值有着显著的改善作用,应在吸入模块两胶芯间设计压力调节装置。     

不同夹芯复合材料夹层结构的剪切破坏行为

对蜂窝和泡沫夹芯的复合材料夹层结构通过夹具用拉伸试验模拟剪切破坏行为,分析了试验载荷-应变曲线及失效模式,得出应变场分布情况及失效原因,并分别对不同夹层结构的剪切行为进行了有限元模拟。结果表明:夹层结构的失效模式均为沿加载方向的屈曲破坏,并且在中间区域与边界区域之间的区属于纯剪应力区;夹芯材料的横向剪切模量直接影响了复合材料夹层结构的屈曲破坏载荷和失效模式:有限元分析的屈曲模态与试验失效模式较为吻合。     

穿孔对平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩性能的影响

建立平纹编织面板蜂窝夹芯结构的渐进损伤分析模型来分别研究无损伤面板和单侧面板含穿孔损伤的蜂窝夹芯结构的侧向压缩性能,并将该结果与试验结果进行对照,以验证所建立模型的正确性。考虑到模型具有高度的材料非线性,选用ABAQUS/Explicit求解器进行蜂窝夹芯结构准静态侧向压缩性能的模拟,通过编写VUMAT子程序,分别设置面板和芯子的失效准则及刚度退化模型,选用内聚力模型模拟胶层,完成侧向压缩下蜂窝夹芯结构的渐进损伤分析。研究结果表明：无损伤面板的蜂窝夹芯结构侧向压缩强度受面板的屈曲行为控制,含穿孔损伤的蜂窝夹芯结构侧向压缩强度受含穿孔侧面板基体的抗压缩能力控制,且穿孔损伤会严重降低蜂窝夹芯结构的侧向压缩强度。