双胶筒封隔器胶筒密封性能分析

以双胶筒封隔器为研究对象,应用ANSYS有限元软件建立封隔器密封元件的计算模型,分析了在不同加载方式、不同胶筒端面斜角以及不同摩擦因数等条件下,封隔器胶筒与套管之间接触压力的变化规律。指出不同的加载方式对封隔器胶筒所获得的接触压力有较大的影响,胶筒单向加载比双向加载能够获得更大的接触压力,2材料相同时,所产生的接触压力相差较大;胶筒端面斜角为40～50°、胶筒和套管壁的摩擦因数为0.5时,上下胶筒均能产生最大的接触应力,可获得最好的密封效果。     

热采井封隔器胶筒非线性大变形分析

井底复杂环境下封隔器胶筒的密封性能是影响热采井生产安全的关键因素之一。采用Yeoh本构模型表征胶筒超弹性与非线性特点,数值仿真封隔器坐封过程,分析胶筒非线性大变形,获得胶筒压缩距与接触应力变化规律。基于正交试验设计方法,系统研究了坐封载荷、井底温度、胶筒长度、胶筒厚度、胶筒与套管摩擦因数等对胶筒力学响应的影响。研究结果表明:封隔器坐封载荷与胶筒厚度是影响胶筒压缩距和接触应力的主控因素;随着坐封载荷增加,封隔器压缩距与接触应力非线性增大;胶筒厚度的增加能明显降低压缩距,提高接触应力。研究结果可为热采井封隔器型号优选提供依据。     

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。     

封隔器胶筒结构优化及优化方法比较

以接触应力和胶筒体积作为优化目标,采用有限元方法对封隔器胶筒进行结构优化设计。首先对胶筒坐封过程进行分析,在此基础上分别以胶筒与套管的接触应力和胶筒的截面积为目标函数,采用不同的优化方法获得相应优化序列。以接触应力为优化目标时,优化后胶筒主要尺寸为长度65 mm,窄头宽度10 mm,肩部倾斜角45.12°,外径113 mm,胶筒与套管间的平均接触应力比优化前提高8.40%。以胶筒体积为优化目标时,优化后胶筒主要尺寸为长度65 mm,窄头宽度10 mm,肩部倾斜角47°,外径110 mm,胶筒体积比优化前减小17.39%。将不同优化方法所得结果对比可知,一阶优化法的精确度较高。     

压裂封隔器胶筒研制及密封性能模拟试验分析

为了研究结构参数对高压密封胶筒性能的影响,开展了对一种压裂工艺使用的能够密封较高压差胶筒的研究,并根据现场作业实际工况要求模拟了胶筒几何尺寸、载荷对胶筒变形以及胶筒和套管接触应力的影响。结果表明:胶筒长度和扶正环宽度的尺寸变化对接触应力影响不明显,胶筒厚度小范围的变化对接触应力也不会有明显影响,但都会显著影响胶筒变形;随着扶正环厚度的增加,胶筒的接触应力增加,而胶筒的变形开始不均匀。进行了密封性试验,胶筒的密封压力达到70MPa,验证了设计的合理性。     

过电缆封隔器胶筒耐压试验及接触应力测试

为了研究过电缆封隔器胶筒密封性能,设计加工了胶筒高温耐压试验装置。对带弹簧防突单胶筒、带弹簧防突双胶筒、带弹簧防突三胶筒和带放气孔双胶筒进行常温、60和120℃高温下耐压试验,试验中采用电测法测定胶筒套管间接触应力,并获得了接触应力沿套管轴向的分布规律。通过分析4种胶筒结构峰值接触应力与接触应力沿接触长度的积分值,优选出带弹簧防突三胶筒和带放气孔双胶筒为较优结构,同时建议对带放气孔双胶筒设计端部保护结构。研究结果可为过电缆封隔器的现场安全使用提供参考。     

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。     

深层气井封隔器胶筒力学行为仿真

以深层气井测试作业过程中常用的RTTS封隔器为对象,采用ANSYS软件建立了封隔器胶筒非线性材料大变形接触问题的力学模型,开展了坐封后胶筒的受力与变形规律研究,并对影响封隔器密封性能的各种结构参数和材料参数进行了敏感性分析。分析结果表明,胶筒高度越高、胶筒硬度越小,越易坐封;胶筒厚度越小、胶筒高度越高、胶筒摩擦因数越小,胶筒与套管间接触力越大。需要特别指出的是,存在一个胶筒坐封最容易的中等厚度,存在一个胶筒与套管内壁接触力最大的胶筒硬度,随着摩擦因数的增大,胶筒与套管内壁间接触力减小,摩擦力增大。     

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。     

基于摩擦因数的封隔器胶筒优化设计

为了进一步明确双胶筒封隔器的工作原理,避免胶筒发生破裂,对封隔器胶筒进行了优化设计。设计中,采用Mooney-Rivlin橡胶材料模型,建立了相应的数值模型,实现了双胶筒封隔器密封状态数值仿真。采用正交试验方法研究了胶筒及周围部件摩擦因数对胶筒最大接触压力的影响规律。研究结果指出,胶筒径向摩擦因数对其接触压力影响较大;减小胶筒摩擦因数或增加支撑环摩擦因数有利于使双胶筒同时形成密封,并且能增大最大接触压力作用范围,但在一定程度上会减小胶筒接触压力。现场试验结果表明,减小胶筒表面摩擦因数可有效避免单个胶筒因接触压力过大而导致破裂的问题。研究结果对封隔器优化设计具有重要的参考价值。     

自膨胀封隔器密封性能影响因素分析

封隔器胶筒密封性能的研究关键就是胶筒与井壁之间的最大接触压力。以YZF51/2″×203×3000型遇油膨胀封隔器为研究对象,利用有限元软件分析了胶筒橡胶硬度、井壁摩擦因数以及工作压力对胶筒与井壁的接触压力以及胶筒应力的影响。分析结果表明,随着橡胶硬度的增加,胶筒与井壁间最大接触压力增加,密封性能增加;井壁摩擦因数较小时,胶筒与井壁间最大接触压力随着摩擦因数增加显著,但当摩擦因数大于0.15后,其对接触压力影响较小;工作压力应该控制在90 MPa以内,即工作压差在30 MPa以内,封隔器能够实现安全密封。研究结果可指导自膨胀封隔器胶筒的优化设计以及自膨胀封隔器的现场应用。     

基于黏着理论的牵引器驱动轮力学分析及优化

轮式牵引器的牵引力由驱动轮与套管的接触摩擦力决定。目前对驱动轮与套管的接触摩擦研究分析多采用考虑犁沟效应下的单齿模型,未考虑接触部位滑动时的剪切作用。为此,提出了驱动轮六面体梯形齿结构,引入黏着理论,同时考虑黏着效应和犁沟效应,建立了驱动轮与套管之间的力学模型,推导出相应效应下的摩擦因数公式,采用数值模拟的方法对驱动轮齿参数进行优化设计。分析结果表明:驱动轮与套管之间的摩擦因数应为黏着效应摩擦因数和犁沟效应摩擦因数之和,其值为1.046;在套管损伤较轻的情况下,驱动轮齿的最优参数为齿顶角105°、齿倾角120°、下底长4 mm。所得结论可为轮式牵引器牵引力的提高和驱动轮的设计提供理论基础和设计参考。     

膨胀套管中的橡胶筒尺寸设计分析

根据带有橡胶筒的膨胀套管有限元力学模型,对套管膨胀过程中橡胶变形和套管内的应力变化、橡胶筒两侧的接触压力,以及摩擦因数引起的膨胀参数变化等做了分析研究;对橡胶筒的厚度、长度做了定量和定性分析,发现在橡胶与套管之间的接触摩擦因数作用下,橡胶过长将会在纵向产生“堆积”现象,在有限空间中,使其受较大的接触压力而失效。研究结果表明为了使橡胶筒能有足够的支承力支承套管,可在膨胀套管外面安装多个橡胶筒,相邻橡胶筒之间的间距必须大于2.5倍的橡胶筒纵向伸长量,以免橡胶筒纵向伸长后相互间干扰而形成“堆积”现象。推荐本膨胀结构尺寸中橡胶筒壁厚1.7~2.0mm,橡胶筒长度170~250mm为最佳范围。     

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。     

基于数值模拟的封隔器胶筒参数正交优化分析

采用ANSYS有限元分析方法对封隔器的组合胶筒系统进行单因素离散优化,得出了单因素参数对组合胶筒接触应力影响规律和最优取值区间,并结合正交试验理论考虑因素间交互作用,对组合胶筒四因素三水平正交优化。结果表明:四因素三水平优化的最优几何参数组合比单因素最优值的组合更符合目标函数要求。该最优组合使得胶筒与套管峰值接触应力增大了11%,较高水平的接触应力分布区域更长,能够取得更好的密封效果。     

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。     

防突结构对封隔器密封性能的影响分析

为对封隔器端部防突装置进行理论分析和优化设计,以双胶筒封隔器为计算模型,应用ANSYS有限元分析软件对有防突结构和无防突结构的2种封隔器进行分析和计算。计算结果表明,防突结构可以显著提高封隔器胶筒与套管壁之间的接触应力,增强封隔器的密封能力;防突装置可以改善封隔器胶筒的受力状况,保持密封效果,延长使用寿命;建议对防突装置做进一步的理论和试验研究,以便采用合理的结构来改善封隔器胶筒的密封性能。     

摩擦因数对膨胀套管影响的有限元模拟研究

应用ABAQUS大型通用有限元软件和数值模拟分析方法,建立了膨胀套管膨胀过程的三维弹塑性非线性接触问题的有限元力学分析模型,直观地对膨胀套管的膨胀过程进行了模拟。分析得到摩擦因数与膨胀套管的总轴向位移、所需膨胀力和膨胀套管膨胀后壁厚减薄量的关系曲线以及定量关系的拟合计算式。分析还认为摩擦因数对膨胀后套管的最大等效残余应力和膨胀过程中的接触应力影响很小。     

封隔器胶筒对套管接触应力模拟试验研究

为研究封隔器工作的可靠性 ,将胶筒安装在模拟试验装置中做模拟井下工况的受力试验 ,通过 4 0只应力传感器测得胶筒在封隔时对套管接触应力的大小及分布情况。结果表明 ,胶筒被压缩后对套管的接触应力主要集中在每节胶筒的中间带 ,应力呈规律性变化 ,随受压元件轴向力的加大 ,胶筒对套管的接触应力也增加 ,特点是胶筒沿套管轴向应力差别较大 ,沿套管径向应力分布较均匀。这说明封隔器工作时每节胶筒中间带起主要密封作用 ,接触最好 ,两端则较差。     

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。