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。     

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。     

压缩式封隔器三级胶筒多重非线性力学分析

分析了压缩式封隔器胶筒在井下分层压裂的密封性能。针对不同硬度胶筒组合和胶筒材料、几何及双重接触三重非线性问题,根据力学基本理论,采用微元法建立胶筒变形齐次非线性方程组。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。从而推导出各个阶段不同硬度胶筒组合的变形公式,利用载荷迭代法求解胶筒在不同轴向力下的接触压力和压缩量。为多级胶筒选择和封隔器设计提供理论依据。     

压缩式封隔器胶筒变形阶段力学分析

封隔器是常用试采井下工具,胶筒是封隔器中最重要的部件。将压缩式胶筒的变形分为自由变形和约束变形2个阶段,分析了其绝对体积变化规律,得到了使胶筒刚好与井壁接触的轴向力,据此可以确定最小坐封载荷;得到了井壁和中心管对胶筒的约束压力,在此基础上得到了压缩式胶筒的各个应力分量和第四相当应力,据此可以给出坐封力下胶筒的强度,确定合理的坐封力。实例计算解释了现场封隔器胶筒在坐封载荷作用下损坏的原因。     

封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析

利用ANSYS软件对封隔器胶筒的接触应力进行了数值模拟计算，通过计算分析得到了接触应力沿胶筒轴向的分布情况。计算表明，此种封隔器可承受40MPa的密封压差，接触应力的最大区域位于端部胶筒与中段工作胶筒的接触部位，高温持久试验也证明其可以满足工作要求。     

无骨架内衬扩张式封隔器的研制与现场试验

为解决常规钢丝帘线或重叠钢片式扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱的问题,通过设计无骨架内衬扩张式胶筒,研制了无骨架内衬扩张式封隔器。该封隔器采用两端嵌套弹簧的方式来提高胶筒多次坐封的可靠性,在工作压差2.5~5.0 MPa下,胶筒可以充分胀封并可靠密封。室内试验表明,无骨架内衬扩张式封隔器在150℃下可以反复坐封/解封50次,双向承压85 MPa,解封后胶筒残余变形率小于1.5%。该封隔器在延长油田2口老井重复复压裂施工中进行了试验,其坐封显示明显,且在井内工作50 h多后,顺利解封,封隔器胶筒完好,外径仅由108 mm扩大至109 mm。研究结果表明,无骨架内衬扩张式封隔器封隔能力强,能重复坐封、解封,比常规扩张封隔器胶筒残余变形小,更易于解封起出管柱。      

油田井下封隔器密封性能影响因素研究

国内现场应用的各类液压封隔器大都是针对液体密封研制的,不具有密封高压气体的能力。为满足CO₂驱安全注气技术需求,开展了封隔器胶筒密封原理实验研究,指出了影响封隔器密封性能的关键因素,揭示了胶筒受力与坐封距的动态变化规律,发现并阐释了封隔器胶筒在高压差注气条件下的“气爆”现象,为新型注气封隔器的设计提供了理论依据。所研制的高压气密封封隔器实现了35 MPa可靠密封,在现场推广应用。     

压缩式封隔器胶筒检测工具研制与应用

针对目前忽视压缩式封隔器胶筒检测这一中间环节,胶筒一旦出现密封不严,不能直接找出原因的问题,研制了压缩式封隔器胶筒检测工具。该检测工具主要由胶筒密封部分、液压坐封部分、压缩距测量部分和机械解封部分等组成,具有检测方式简单、可靠、准确的特点。检测结果表明:该压缩式封隔器胶筒检测工具可以检测多个型号的压缩式封隔器胶筒的规格尺寸、硬度、压缩距、压缩力和密封压差。该检测工具不仅可以检测常温胶筒,也可检测高温胶筒。压缩式封隔器胶筒检测工具的研制提高了封隔器的利用率,节约了生产成本。     

可钻封隔器设计及密封机构特性研究

为解决油田分层注水封隔器工艺成功率低的问题，研制了一种可钻封隔器。该封隔器内径为62 mm,零件采用非金属可钻复合材料；封隔器采用双活塞低压坐封，减小了坐封压差，增强了坐封可靠性；筛选耐高温高压胶筒，尽可能缩小胶筒厚度。通过对胶筒密封机构进行仿真分析，得出不同工作压力下胶筒与套管内壁的接触压力与胶筒压缩距。对仿真结果进行分析可知，密封机构满足设计要求且密封性能良好。室内试验和现场应用结果表明：可钻封隔器坐封顺利，解封可靠，整体密封性能良好。密封压差可达35 MPa,常温至120℃高温下承压25 MPa,能够满足高温、高压等复杂环境下的工作需求，工艺成功率100%,应用效果良好。此封隔器的研制成功为分层注水井的应用提供了技术支持，对油田实现降本增效起到了良好作用，具有广阔的推广应用前景。     

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。