压缩式封隔器坐封力学有限元分析

封隔器胶筒与套管的接触压力是衡量密封性能的重要依据。应用ANSYS有限元软件,数值模拟了封隔器坐封后的应力、应变分布及接触状态,得出胶筒的整体接触压力分布和上、中、下3个胶筒与套管接触压力的分布规律。线性回归了坐封力与接触压力的关系式。指出封隔器各胶筒与套管的最大接触压力随着坐封液压力的增大而增大,并且上、中胶筒呈线性关系,下胶筒呈二次曲线关系。     

HRP液压封隔器性能参数数值模拟研究

为了研究复杂井况下HRP封隔器的坐封过程、胶筒接触压力以及应力分布等,应用有限元分析软件ANSYS采用数值模拟的方法对其进行了模拟计算。在不改变结构特性的情况下对封隔器附属结构给予简化,胶筒采用Solid185超弹性单元,本构方程采用Bilinear-Kinematic模型,利用删除破坏单元的显式算法来实现销钉在液压载荷作用下的失效断裂。结果认为,利用ANSYS有限元软件研究封隔器工作性能和技术参数的方法是可行的,其结果较好地反映了封隔器工作的真实物理过程,大大减少了试验成本,所得结论也与现场试验数据吻合。     

封隔器胶筒轴向压缩大变形与双重接触力学分析

压缩式封隔器胶筒属大变形材料,在坐封过程中与中心管、套管产生双向接触摩擦,给理论分析带来难度。鉴于此,考虑胶筒材料非线性、几何非线性及双重接触非线性,采用弹性力学理论和橡胶大变形本构关系,推导了胶筒坐封过程中的变形和接触压力计算公式,根据力学基本理论建立胶筒变形方程。将胶筒变形分为自由变形、单向约束变形和双向约束变形3个阶段,利用载荷迭代法求解各阶段的接触压力和压缩量。提出以密封系数作为封隔器坐封的判别条件,密封系数越大,表明密封性能越好;通过密封系数不小于1来判断封隔器是否完全坐封,由封隔器承受的最大压力来判断适用于何种深度的压裂井。该项研究结果可为封隔器设计提供理论依据。     

压缩式封隔器射孔段坐封的有限元分析

在经过射孔工艺改造后的注水井中,常规封隔器胶筒坐封射孔的受力状况比较复杂。通过对压缩式封隔器胶筒进行工况下的受力分析与有限元建模,对压缩式封隔器光滑套管段坐封与射孔段套管坐封进行有限元计算和分析,得出了2种坐封情况下封隔器胶筒以及胶筒与套管之间的应力分布规律。通过对比分析,发现压缩式封隔器在射孔段坐封时,封隔器坐封效果有所下降,但不影响使用,可以在射孔段实现封堵。胶筒与毛刺接触后,胶筒等效应力并未急速增大,同时并未对胶筒造成破坏。研究内容为评估封隔器的使用效果提供了一种新的方法。     

?244.5mm套管长圆螺纹接头有限元分析

基于虚功原理和变分原理,建立了套管螺纹与接箍螺纹弹塑性接触的有限元分析方法,在该方法的基础上建立了?244.5mm(95/8in)套管长圆螺纹接头的有限元力学分析模型,研究了预紧力、轴力、内外压力、弯矩和扭矩等载荷的施加方式,并模拟分析了长圆螺纹接头在3种典型工况(模拟上扣、模拟下套管、模拟旋转套管)下螺纹牙齿的接触压力、位移场和应力场分布规律。研究结果表明:3种典型工况下螺纹牙齿的接触压力、位移场和应力场分布规律基本一致,长圆螺纹接头前4颗牙齿的Von Mises应力和接触压力都最大,在其余牙齿上的Von Mises应力和接触压力分布比较均匀,出现了明显的应力集中区域,将导致螺纹连接在应力集中部位容易失效。     

基于正交试验的压缩式封隔器胶筒的结构参数优化

主要用于封隔油管与套管环形空间的封隔器胶筒在现场使用中常常出现密封失效和撕裂失效等问题。为了解决上述突出问题,基于虚功原理、Von Mises屈服原则及接触非线性理论,建立了压缩式封隔器胶筒工作中的三维有限元计算模型,采用正交优化方法,对胶筒的关键结构参数长度、厚度和倒角尺寸进行了优化,获得了胶筒关键结构参数的最优组合方案,并对优化前后封隔器胶筒的力学性能进行了对比分析。研究结果表明：①对胶筒密封性能影响由大到小的因素排序为：厚度、倒角尺寸、长度;②胶筒关键结构参数的最优组合应为长度80 mm、厚度20 mm、倒角尺寸10 mm;③较之于优化前,优化后的胶筒与套管间的最大接触应力平均提高70.44%、胶筒最大Mises应力平均降低15.72%、胶筒的压缩距平均降低37.82%;④在相同坐封载荷作用下,优化后的胶筒增大了胶筒与套管间的接触应力、降低了胶筒自身的Mises应力。结论认为,经过参数优化后的封隔器胶筒能够更好地满足现场使用中的密封性能和寿命要求。     

用接触有限元研究胶筒系统的力学行为

为了研究封隔器胶筒系统的力学行为,文章应用ANSYS的参数化设计语言APDL(ANSYS Parametric De-sign Language),编制了胶筒系统的接触有限元命令流。研究了轴向坐封载荷与胶筒的峰值接触压力和轴向压缩量之间的变化规律。根据胶筒的变形特征,其力学行为可以分为A、B、C三个基本阶段。用接触有限元方法详细研究后发现,每一个基本阶段又可细分为若干小阶段,例如B1、B2。根据这些小阶段的特点,可以确定封隔器胶筒的最小坐封载荷等于B2小阶段结束处的轴向坐封载荷。当轴向坐封载荷达到C3阶段的末点时,设计胶筒防“肩突”结构是必须的,否则容易出现胶筒失效。     

遇油膨胀封隔器胶筒密封性能有限元分析

胶筒的密封性能直接制约着封隔器的工作性能,对胶筒密封性能研究的关键就是研究胶筒与井壁之间的最大接触压力。为此,建立了遇油膨胀封隔器的计算模型,采用有限元软件对遇油膨胀封隔器在井下的密封性能进行研究,分析了胶筒长度和坐封环境温度对胶筒与井壁之间接触压力的影响。研究结果表明,随着胶筒长度的增加,胶筒与井壁之间的最大接触压力增加,但当胶筒长度增加到3.0 m后接触压力增加变缓;随着坐封环境温度的升高,胶筒与井壁之间的最大接触压力减小,且减小幅度较大。在塔河油田的应用结果表明,当遇油膨胀封隔器两端压力不高于90.00 MPa时,胶筒长度为3.0 m的遇油膨胀封隔器能够满足封隔地层要求,封隔器胶筒应力也低于橡胶材料的破坏极限。     

裸眼井中扩张式封隔器力学行为研究

封隔器在石油天然气开采中起着非常重要的作用,而扩张式封隔器在裸眼井中广泛应用。本文采用有限元软件建立了裸眼封隔器与地层的模型,对胶筒在坐封过程中与井壁接触应力的变化进行了研究,并研究了在不同摩擦系数下接触压力的变化,结果表明,建立粗糙井壁面能够更加符合实际情况,胶筒肩部为应力集中的区域,地层与胶筒的接触应力会随着摩擦系数的增加而减小。研究结果为裸眼扩张式封隔器的设计和改进提供了理论依据。     

压裂管柱封隔器坐封方式对比分析

根据封隔器坐封方式的不同,介绍了机械坐封、液压坐封压裂管柱的工作原理及特点;对不同坐封方式下的压裂管柱进行力学分析,建立了坐封前、坐封过程及压裂过程的力学模型。以实例研究在既定施工规模下优选压裂管柱封隔器的坐封方式,给出了平衡压力的确定方法。此研究为压裂管柱优化设计和封隔器坐封方式的合理选择提供了理论依据和分析手段,提高了压裂效果和成功率。     

地层空隙对套管抗挤强度的影响

采用有限元软件ABAQUS分析了水泥环外的地层空隙对套管抗挤强度的影响。分析结果表明:(1)地层中空隙的存在会降低套管的抗挤强度,空隙周向角度从20°变化到80°,套管内最大Von Mises应力逐渐增大,空隙周向角度从80°变化到180°,套管内最大Von Mises应力逐渐减小;(2)空隙压力的降低,会使套管内最大Von Mises应力增大,当空隙周向尺寸足够大时,空隙压力pv下降会导致空隙内地层边界与水泥环接触,从而减缓套管内最大Von Mises应力增大的幅度。该分析为更精确的套管抗挤强度设计提供了理论依据.     

金属封隔器原理性结构试验研究与分析

传统封隔器的密封部件是用橡胶材料制成的胶筒,存在内通径小、耐温和耐压低以及寿命短的问题。为此,对材料的性能进行分析和试验后认为,钛镍合金可以满足油田封隔器的使用要求。设计了新型封隔器的结构与尺寸,并通过原理性结构试验,确定封隔器的关键结构参数。用1×104kN螺旋压力机热挤压出金属封隔器的坯件,并对挤压过程进行了有限元模拟,解决了热挤压过程出现裂纹的问题。通过试验研究、有限元模拟及力学分析,改进了封隔器的结构和处理工艺,使其坐封和解封都达到了使用要求,并确定封隔器的密封和悬挂力满足使用要求。     

φ244.5 mm套管偏梯形螺纹接头有限元分析

根据φ244.5mm（95/8英寸）套管偏梯形螺纹接头的实际工作情况,建立了预紧力、轴力、内外压力、弯矩和扭矩等载荷工况的力学模型,并依据力学模型建立了该接头的有限元网格模型.采用弹塑性接触问题的有限元分析方法分析了上扣、下套管、旋转套管3种典型工况下该接头的接触压力分布、应力分布和应变分布,可以揭示螺纹接头接触区和牙齿的弹塑性行为,对工程应用有重要的指导作用.研究表明：偏梯形螺纹接头的前3个牙齿和最后3个牙齿的应力和接触压力都很大,螺纹连接在这些部位后很容易发生粘扣.     

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。     

基于有限元的法兰接头强度特性分析

法兰连接具有较高的强度和密封性,被广泛地用于石油化工设备和管道中。依据有限元原理,建立了由法兰、垫片和螺栓组成的连接有限元模型,并在有限元软件中对法兰的应力、应变进行了分析,研究了螺栓预紧力、介质压力对法兰应力、应变和密封性能的影响。分析结果表明,螺栓的预紧力越大,法兰的Von Mises应力、接触应力和变形量就越大;当螺栓预紧力大于140 kN时,法兰盘的螺栓孔附近发生塑性变形;预紧状态下的法兰面接触应力大于工作中的接触应力;介质压力越大,法兰的Von Mises应力值越大,法兰面上的接触应力越小。     

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。     

遇油膨胀封隔器与地层的适应性研究

针对提出的封隔器密封性判据及结构设计方法,在对遇油膨胀封隔器胶筒在井下的接触压力及应力分布进行有限元计算分析的基础上,对该封隔器与地层的适应性进行了研究。研究结果表明,不同地层模型的胶筒最大安全下方压力与地层岩性的弹性模量成正比;泥岩、页岩和砂岩3种地层模型中的胶筒最大应力均低于胶筒的压缩永久变形强度,说明胶筒不会产生应力损坏;井壁地层岩石在井下三轴应力作用下的最大剪应力随胶筒接触压力的增大而线性增大,不同岩性地层下最大地层剪应力随封隔器接触压力的增大速率和地层的弹性模量成正比,地层剪应力的最大值处于地层岩石的45°方向上,最小值分布于其垂直方向上。     

热采井中复合缝腔割缝筛管的抗压强度研究

根据热力学原理,结合特定现场地层特点,计算了在热采过程中筛管表面温度分布,并利用有限元软件分析了在此温度分布条件下筛管的抗压强度。结果表明,在外部围压作用下,筛管的应力分布不均衡,仅有局部极小的区域应力较大,该区域主要集中于筛管的缝腔处。在热采情况下计算的筛管整体Von Mises应力大于在常温下计算得到的应力。在较大的外压载荷下热采温度对筛管抗压强度的影响很小甚至可以忽略。筛管的抗压强度随缝长的减小和割缝数的减少而增大。这种分析方法对研究井下热采过程中割缝筛管复杂的温度应力情况有一定的指导意义。     

水平井多级压裂管柱力学、数学模型的建立与应用

水平井多级体积压裂技术是近几年国内外为有效开发页岩气藏和低渗透油气藏而发展起来的一项新技术,但随之出现了压裂管柱力学环境更加复杂的新问题。针对该复杂的力学、数学问题,根据水平井多段压裂工艺管柱受力特点,建立了悬挂封隔器以下,多封隔器坐封、开启压差滑套和开启投球滑套3种工况的力学模型,并根据各工况的受力特征,建立了这3种工况管柱力学计算的数学模型。根据弹性力学理论中厚壁筒的Lame公式和Von Mises应力计算公式,推导出了管柱受内压力、外挤力和轴向应力共同作用下油管柱安全性评价的等效应力计算数学模型,建立了多级压裂管柱力学强度安全评价的数学模型;根据已建立的水平井多封隔器管柱力学计算的数学模型,开发了水平井多级压裂管柱力学安全评价的实用软件。该研究成果已经在新疆塔里木盆地塔河油田某气井得到了应用和验证,取得了很好的效果,为水平井多级压裂管柱安全工作参数的优化设计和安全性评价提供了理论依据和简便可靠的技术手段。