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不同壁厚Φ139.7mm套管对封隔器胶筒接触应力的影响张福涛【摘要】封隔器是油田分层开采工艺中必不可少的井下工具之一,其密封性能主要取决于胶筒与套管间的接触应力.而在油田生产中,不同壁厚的套管并没有与之相对应的井下工具,对于压裂井来说,井壁相差1mm,其对封隔器胶筒的密封作用有很大的影响.本文利用数值模拟软件分析不同壁厚的Φ139.7mm套管在载荷作用下封隔器胶筒与套管接触应力的变化,结果表明,随着坐封压力的增加,胶筒与套管之间的接触应力均呈上升趋势；套管内径越小,即封隔器胶筒与套管间隙越小,其密封效果越好.【期刊名称】《内蒙古石油化工》【年(卷),期】2013(039)009【总页数】3页(P37-39)【关键词】胶筒;套管壁厚;接触应力;有限元分析【作者】张福涛【作者单位】胜利油田分公司采油院浅海所,山东东营257000【正文语种】中文【中图分类】TE931+.21 概述封隔器是油田分层采油工艺中重要的工具,其种类繁多,而在坐封方式上以压缩式为主[1]。
封隔器的关键部件是具有弹性性能的胶筒,当胶筒承受轴向压缩载荷时,其产生轴向压缩变形和径向膨胀,使胶筒与套管之间产生接触应力,并藉此封隔环空,隔绝产层,达到分注的目的[2～3]。
因此,研究胶筒与套管内壁之间的接触应力对研究封隔器胶筒的密封机制、优化封隔器的设计有重要意义。
本文利用数值模拟软件对不同壁厚的套管模型进行了模拟,分析封隔器胶筒与套管接触应力的变化规律以及套管壁厚对接触应力的影响,为优化封隔器结构提供理论基础。
2 封隔器的基本结构及工作原理图1 封隔器基本结构1.上接头;2.放松销钉;3.调节环;4.胶筒;5.垫片;6.中心管;7.下压环;8.“ 0”盘根;9.“0”型盘根 ;10.剪钉;11.接头;12.下接头封隔器在工作过程中一般分为坐封、密封和解封三种工况。
本文主要针对压缩式封隔器,故此处以Y111-115封隔器为例,其基本结构如图1所示。
压缩式封隔器密封胶筒有限元分析及改进葛松【摘要】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.%Aiming at the failure existing in compressed rubber seal packing,the analysis and comparison have been made at the condition of seat load and contact stress for the conventional and improved packing to increase security, stability and reliability during tripping down. The result showed that the improved packing,with compressed rubber seal packing,could hold higher pressure and the security was greatly increased during tripping down to meet the requirement of onsite operation.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2011(040)012【总页数】4页(P92-95)【关键词】压缩式封隔器;密封胶筒;有限元分析;改进【作者】葛松【作者单位】甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TE931.2目前，国内各油田常用的封隔器主要有扩张式和压缩式2种类型，且型号很多，结构繁杂。
压裂酸化封隔器胶筒结构密封性能分析与优化杨春雷;费根胜;杨立【摘要】封隔器是压裂酸化过程中的重要工具之一，而胶筒是封隔器的核心零部件，胶筒的好坏直接决定了封隔器的工作性能。
针对压裂酸化用某Y344型封隔器利用有限元技术开展密封结构性能分析与优化研究，获得了胶筒对套管的接触压力分布规律，考虑接触压力与面积两个因素建立了结构密封性能评价方法，分析了胶筒长度与组数变化对密封性能的影响，为封隔器产品开发与使用提供了理论基础。
%The packer is one of the most important tools in the process of fracture acidizing, and rubber barrel is the core com-ponent of the packer , the performance of rubber barrel directly determines the working performance ofthe packer .The packer-type is Y344 and is used in the fracture acidizing of the oil-gas reservoir.The author carries out rubber barrel′s sealing per-formance analysis and optimization research through the finite element method, the distributing law of contact pressure both rubber barrel and casing pipe is obtained, the structure′s sealing performance evaluation method is established on the base of considering contact pressure and contact area, the impact of rubber barrel length and packer group numbers change is ana-lyzed, which provides theoretical basis of packer′s development a nd use.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P30-32,44)【关键词】封隔器;胶筒;密封性能;结构优化【作者】杨春雷;费根胜;杨立【作者单位】江汉石油钻头股份有限公司技术中心，湖北武汉 430223;武汉亚得科技有限公司，湖北武汉 430070;西南油气田分公司川中油气矿，四川遂宁629000【正文语种】中文【中图分类】TE910 引言封隔器作为一个关键井下工具，广泛应用于油气井的压裂、酸化、挤注和试压等施工作业中，通过封隔油管与套管或者裸眼井壁之间的环形空间来实现各种封堵作业的要求［1］。
不同温度下受压封隔器胶筒有限元分析彭惠芬;王程;王鹏【摘要】Axisymmetric finite element model of packer rubber cylinder was established by using the hyperelastic mate-rial Mooney-Rivlin in ANSYS,the distribution rules of stress and deformation along rubber cylinder’s length under differ-ent temperature load were analyzed. The results show that temperature has certain effects on stress distribution of packer rubber cylinder,at room temperature (25 ℃),the upper rubber cylinder has uniform stress distribution along its length, the stress of intermediate rubber cylinder is less at both ends and bigger in the middle. The maximum stress is in the out-side surface of lower rubber cylinder bottom and the minimum stress is in the inner surface,the stress values are 19.693 MPa and 3.984 MPa separately. With the increase of temperature,the stress distribution in intermediate rubber cylinder tends to be uniform,and the stress at outside surface of lower rubber cylinder bottom is increased and reaches 19.712 MPa at 100℃. The deformation of rubber cylinder along its length is nonlinear,the upper rubber cylinder has smaller deforma-tion and the deformation is increased along rubber cylinder’s length,the intermediate rubber cylinder has maximum de-formation,the deformation value is 9. 17 mm. The temperature has smaller effect of on the lower rubber cylinder,the de-formation is smaller and the change is relatively stable.%利用ANSYS软件中超弹性材料Mooney-Rivlin建立胶筒轴对称有限元模型，分析受压胶筒在温度载荷作用下应力和变形沿筒长分布规律。
封隔器胶筒肩部的力学分析徐小晨;张公社【摘要】为了适应老油田精细分层注水需求,应加强现有封隔器结构设计的合理性。
针对扩张式封隔器的胶筒长度比较长,扩张时各部分扩张不均匀,肩部容易破坏的问题进行了研究。
根据扩张式注水封隔器坐封原理,采用了有限元的方法,以业内具有较高认可度ANSYS Workbench15.0有限元软件,对一种具有10 mm补偿结构的K334-112封隔器进行了力学分析。
对输出结果分析表明,胶筒在各个部分的受力情况和位移状态都是不均匀的,应力集中始终出现在胶筒肩部,在设计胶筒时如果能改善应力集中部分的性能,将使得封隔器的设计更加合理。
这样运用有限元的方法分析优化封隔器的结构与传统的使用实验的方法相比,更能适应现在高速发展的机械结构研究邻域,使得封隔器制造商能有更高的行业竞争力。
【期刊名称】《能源与环保》【年(卷),期】2017(039)009【总页数】5页(P150-153,159)【关键词】精细分层注水扩张式封隔器长胶筒 ANSYS Workbench15.0 应力应变【作者】徐小晨;张公社【作者单位】长江大学石油工程学院,湖北武汉430100【正文语种】中文【中图分类】TE931Abstract:In order to meet the needs of the fine oil injection in the old oilfield，it was necessary to strengthen the rationality of the existing packer structure design．The length of the drum was longer for the expansion packer，and the expansion was uneven and the shoulder was easy to destroy．According to the principle of the expansion of the water injection packer，the finite element method was adopted，and the K334-112 packer with 10 mm compensation structure was carried out with ANSYS Workbench15．0 finite element software to carry on mechanical analysis．The analysis of the results of the output showed that the force and displacement states of the plastic cylinders were uneven in all parts，and the stress was always concentrated on the shoulder of the cylinder．If the performance of the stress concentration part can be improved when the cylinder is designed，the design of the packer was more reasonable．This method of using finite element method to optimize the structure of the packer compared with the traditional method of using the experiment will be more adaptable to the now high-speed development of the mechanical structure of the neighborhood，to make the packer manufacturers have a higher industry competition force．Keywords:fine layered water injection;expansion packer;long plastic tube;ANSYS Workbench15．0;stress-strain为了提高封隔器结构设计和参数优化的工作效率和减少相应的设计成本，国内外研究人员已经把有限元分析法当成一种主要手段，M．S．M．Al-Kharusi等［1］通过ABAQUS建立了封隔器在坐封后胶筒两端存在液力压力的有限元模型，郭志平等［2］通过ANSYS软件析对封隔器胶筒和外层套管内壁之间的接触情况进行分析发现，接触应力的大小直接影响到封隔器的密封效果，程心平［3］为了研制出适合海上大排量反洗井的要求，通过ANSYS软件分析得到封隔器胶筒橡胶的应力—应变关系呈非线性。
收稿日期:2002-03-25
作者简介:季公明(1971-),男,山东聊城人,工程师,1993年毕业于石油大学(华东)自动化专业,现从事采油工艺研究工作。
文章编号:1001-3482(2002)05-0046-02
封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析
季公明1,周先军2,
厶
贝
平利2
(1.胜利油田有限公司采油工艺研究院,山东东营257000;2.石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061)
摘要: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。
关键词:封隔器;接触应力;有限元法。
中图分类号:TE9311203 文献标识码:A
Numerical simulated analysis of the contact stress on the sealing rubber of the packer
JI Gong -ming 1,Z HOU Xian -jun 2,YUN Ping -li 2
(1.Oil Extraction Technology Resea r ch I nstitute ,Shengli Oil Filed Corporation,Dongying 257000,China;
2.Mechatronic Engineering College,University o f Petroleum(H ua don g ),257061,China)
Abstract:The contact stress on the sealing rubber of the pac ker is calculated with ANSYS software in this paper.
Through analysis and calculation,the contac t stress distribution along the axis of the sealing rubber is found out.The ca-l culation indicates that this kind of packer can bear 40MPa pressure differential and the max contact stress lies in the con -tact position between the two end sealing rubbers and the middle one.In addition,the high temperature duration running proves that this kind of packer can meet the working conditions.Key words:packer;contact stress;finite -element method 封隔器是油田采油工艺中重要井下工具之一,它位于油管和套管之间。
当封隔器胶筒承受轴向载荷时,封隔器胶筒将产生径向大变形,使胶筒与套管之间产生接触压力,藉此封隔环空,隔绝产层,以控制产(注)液,保护套管。
因此,研究胶筒与套管内壁之间接触压力,这对研究封隔器胶筒的密封机理,研究轴向载荷、密封压力与接触压力之间的关系,优化高温封隔器的设计有重要的意义。
因为封隔器胶筒属于大变形超弹问题,国内主要利用室内的模拟试验来研究,本文利用ANSYS 软件对高压封隔器胶筒与石油套管内壁接触压力大小和分布规律进行了计算研究。
该软件由开始平台和处理器平台组成,软件分析工作可分成3个阶段,即,预处理阶段,定义求解所需的数据,用户可选择坐标系和单元类型,定义实常数和材料特性,生成实体模型并划分网络,控制节点和单元以及定义耦合和约束方程等;求解阶段,用于定义分析类型及选项、加载和求解;后处理阶段,在程序的这一部分,用户可很容易地获得求解
阶段的计算结果并对其进行运算,这些结果包括位移、应力、应变、温度和速度等,然后通过图形显示和数据列表输出评价分析结果。
1 基本理论与计算模型的建立
1.1 超弹基本理论
封隔器胶筒采用丁腈橡胶,泊松比为0.48,超弹材料,其弹性势能函数是一个应变或变形张量的标量函数,该标量函数对应变分量的导数就是相应
的应力分量,即[S ]=5W
5[E]
,式中,[S ]为第二皮奥
拉)克希霍夫应力张量;W 为单位体积的应变能函数;[E ]为拉格朗日应变张量,[E ]=([C]-I )/2,其中,I 为单位矩阵;[C ]为柯西)格林应变张量,[C]=[F]T
#[F ],其中,[F ]为变形梯度张量,[F ]=
5x
5X ,x 为变形后节点位置矢量;X 为初始节点位置矢量。
2002年第31卷 石油矿场机械
第5期第46页 OIL FIELD EQUIPMENT 2002,31(5):46~47
根据应变不变量得Mooney )RivLin 应变能密度函数为
W =A 10(I 1-3)+A 01(I 2-3),
式中,A 10,A 01为材料常数,这2个参数需通过单轴拉
伸、单轴压缩和剪切试验测定数据并通过计算得到。
1.2 计算模型
高压封隔器的几何模型如图1,由两端部胶筒和工作胶筒组成。
胶筒与套管内壁的距离为5mm,H =146mm,套筒封隔器模型属于轴对称模型。
封隔器胶筒材料为超弹材料橡胶,选用HYPE R56超弹单元;三段胶筒之间以及胶筒与套管之间考虑接触以及相互之间的摩擦,选用C ONTAC48接触单元;因材料参数原因,
计算时没有考虑温度问题。
图1 封隔器胶筒接触应力计算模型
1.3
载荷与约束
图2 封隔器坐封 胶筒位移量
根据封隔器的工作原理,第一步实现坐封,坐封力为7@103~11@103kg;第二步承受工作压差,设计要求能够承受40MPa 的密封压差。
由于该封隔器采取了防突措施,因此,可认为不会产生肩突现象,两端部胶筒的y 向位移为零,工作载荷从上端施加。
2 计算结果分析
2.1 封隔器坐封
当施加10@103kg 的坐封力时,胶筒的位移变形如图2,由图可知,胶筒径向位移达5mm,与套管完全接触,实现坐封。
2.2 压差作用下的接触应力分布
该高压封隔器设计要求能够密封40MPa 的压差,载荷由胶筒上端面施加。
以胶筒轴线为横坐标,
胶筒与套管的接触应力为纵坐标,胶筒下端为坐标
原点,得到其接触应力分布如图3。
与未压缩前相比,胶筒轴向变形38mm,承压端胶筒的接触应力较大,最大应力A 点处为35MPa 。
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,即图1中A 、B 点所处的区域。
图3 接触应力分布图
3 高温持久试验
试验时,将封隔器装入试验台套管内,利用液压推力器坐封封隔器,高压泵向密封腔内加高压液体,待压力达到设计要求后,停泵,接通电源,调节温控仪,加热密封腔内的高温油,待温度达到设计值时,继电器自动断开电源,试验装置保持温度。
封隔器的高温持久试验结果如图4,根据试验
结果可知此种封隔器可满足设计要求,但随着温度和压力的升高,长时间维持压力稳定存在一定困难。
图4 高温持久试验
4 结论
封隔器的数值模拟计算表明,可密封40MPa 的压差,接触应力的最大值区域位于端部胶筒与中段工作胶筒的接触部位,高温持久试验也表明此种封隔器可以达到设计要求。
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47#季公明,等:封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析。
