压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析.pdf
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1、钟功祥,钟升级,程柯文.压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析J.机械科学与技术,2023,42(8):1261-1269压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析钟功祥,钟升级,程柯文(西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室,成都610500)摘要:压缩式封隔器广泛用于油田分层开采工艺,其胶筒的坐封通过高压流体作用在活塞上压缩胶筒或管柱来实现。现场作业发现:压缩式胶筒离载荷端较远,且大多采用单向加载,导致坐封不完全,接触应力与密封性能系数较低。针对上述问题,基于 Mooney-Rivlin 超弹模型、胶管变形及接触非线性理论,建立压缩式胶筒组有限元计算模型,从内衬套和防肩突结构开展单因素分析,并
2、对其裸眼密封性能进行研究,结果表明:三角形内衬套能有效提高胶筒中部接触应力;金属圆环防突结构能提高胶筒密封性能系数;与常规压缩式封隔器相比,优化后的压缩式封隔器密封性能显著提高;裸眼井壁的不规则程度在一定范围内时,对封隔器的密封性能影响不大。关键词:压缩式封隔器;接触应力;肩突;密封性能;裸眼井壁中图分类号:TE931文献标志码:ADOI:10.13433/ki.1003-8728.20220082文章编号:1003-8728(2023)08-1261-09Structurally Optimizing Rubber Cylinder of Compression Packer andAnal
3、yzing Its Open-eye Sealing PerformanceZHONGGongxiang,ZHONGShengji,CHENGKewen(TheMinistryofEducationKeyLaboratoryofPetroleumandNaturalGasEquipment,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)Abstract:Acompressionpackeriswidelyusedinanoilfieldsstratifiedproductionprocesses,andthesettingofitsrubbe
4、rcylinderis achieved by compressing the rubber cylinder or pipe string through the action of high-pressure fluid on the piston.Fieldoperationsfindthattherubbercylinderisfarfromtheloadendandthatthemajorityofitareloadedinonedirection,resultinginincompletesettingandlowcontactstressandsealingperformance
5、coefficient.Duetotheaboveproblems,basedontheMooney-Rivlin hyper-elastic model,the hose deformation and contact nonlinear theory,the finite element model for calculating thecompressionrubbercylindergroupwasestablished,andthesinglefactoranalysiswascarriedoutfromtheinnerbushingandtheanti-shoulderstruct
6、ure,andtheopen-holesealingwascarriedout.Theperformanceisstudied,andtheresultsshowthat:1)thetriangularinnerbushingcaneffectivelyimprovethecontactstressinthemiddleoftherubbercylinder;2)themetalringanti-burststructurecanimprovethesealingperformancecoefficientoftherubbercylinder;3)comparedwiththeconvent
7、ionalcompressionpacker,thesealingperformanceoftheoptimizedcompressionpackerissignificantlyimproved;4)whentheirregularityoftheopenholewalliswithinacertainrange,thesealingperformanceofthecompressionpackerisnotaffectedmuch.Keywords:compressionpacker;contactstress;shoulderprotrusion;sealingperformance;o
8、penholewall封隔器作为油气田生产开发的重要井下工具,由于其独特的作用,为油气田正常生产和各种井下工艺的顺利进行提供了有效机械手段。因此,封隔器被认为是实现油气田合理开采的战略性武器1。目前,针对于封隔器的密封准则以接触应力的大小收稿日期:2021-08-28基金项目:省部共建“石油天然气装备”教育部重点实验室(西南石油大学)项目(2019sts03)作者简介:钟功祥(1962),教授,硕士生导师,硕士,研究方向为石油机械工程,2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceE
9、ngineeringVol.42No.8http:/ 152.4mm裸眼井眼的压缩式裸眼封隔器4,该封隔器能够在坐封时保护胶筒防止发生“肩突”现象,提高了封隔器承压能力。李强开展了对新型密封结构密封性能的研究5,与常规三胶筒密封结构相比,密封胶筒组与井壁之间的最大接触压力和平均接触压力均有较大提高,有效解决了封隔器胶筒组与井壁和胶筒组与中心管之间密封性能差的问题。Polonsky 等6分析了封隔器坐封过程中胶管的工作状态,提出了高压密封和防突结构的封隔器坐封方案。上述研究主要集中于新型封隔器的设计,也涉及坐封方案的改进,但现有常规胶筒封隔器结构简单,密封性能较差,又由于深井、超深井的地质条件复
10、杂、埋藏深度过大,高压压裂易导致胶筒台肩突出、撕裂和压碎等问题7,故其难以满足密封问题建设。针对上述问题,建立封隔器密封性能指标,并根据 Mooney-Rivlin8超弹模型、胶管变形及接触非线性理论9,构建压缩式封隔器胶筒组在实际工作条件下的有限元计算模型,对压缩式胶筒组的关键结构进行优化,并对其裸眼密封性能进行分析。1 压缩式胶筒密封性能评价指标及本构模型的建立封隔器的密封性能指标是封隔器最为重要的工作参数,直接决定了封隔器的工作性能的优劣。目前,针对于封隔器的密封准则是以接触应力的大小为主,但在实际使用过程中,封隔器的密封性能与接触应力、接触长度、肩突值都有关。因此针对于压缩式胶筒的密封
11、性能评价指标要从多个方面综合考量。1)接触应力 P。接触应力为传统评价密封性能好坏的指标,其中接触面上的最大接触应力更是评判最大密封性能的指标。接触应力越大,胶筒密封性能越好,抗泄漏能力越强。2)密封性能系数 K。密封性能系数 K10代表了接触应力曲线在沿轴向距离上围成的面积,该指标既考虑了胶筒的接触应力,也考虑了胶筒的接触长度。对于胶筒的承压、密封能力方面的评价更加全面。密封性能系数越大,密封性能越好。K=CpCL(1)CpCLK式中:为胶筒与井壁接触应力,MPa;为胶筒与井壁接触长度,mm;为密封性能系数,MPamm。3)肩突值 J。肩突值的定义是胶筒压缩后压入到隔环与井壁环形空间轴向长度
12、,如图 1 所示。它是胶筒密封可靠性的评价标准,肩突值越大,胶筒就越容易发生破坏。中心管隔环胶筒井壁肩突值 J图1肩突值定义Fig.1Definitionofshoulderprotrusionvalue由于橡胶材料为高度非线性的材料,在很大的应变值下仍然能够保持原有弹性,所以不能通过杨氏模量和泊松比对其进行定义。Mooney-Rivlin 模型是完全多项式中比较简单的超弹模型,在材料的精确参数未知时常使用这种模型,同时该模型能够很好的拟合不可压缩橡胶材料的中等变形情况下的力学行为,因此采用两参数的 Mooney-Rivlin 模型作为胶筒的本构模型。C01/C10=0.05橡胶所用的聚氨酯材
13、料的材料系数比值11时的拟合曲线与试验曲线重合性好,常用胶筒材料的本构模型力学性能常数12如表 1 所示。表 1 橡胶材料本构模型力学性能常数Tab.1Mechanicalperformanceconstantsforrubbermaterialconstitutivemodels胶筒硬度弹性模量C10C0175HA8.76MPa1.1240.05680HA10.98MPa1.5330.076785HA13.80MPa1.9260.963 2 压缩式胶筒组建模及边界条件设置在 ABAQUS 软件中对压缩式胶筒建模,其结构参数如图 2 所示。1262机械科学与技术第42卷http:/ 2胶筒 1
14、胶筒 2胶筒 3下隔环上隔环中间隔环 110701 45300R4141424.525加载端图2压缩式胶筒组结构参数Fig.2Thestructuralparametersofthecompression-typerubbercylinderassembly中心管材料为 45CrNiMoV;隔环材料为金属即高强度铝镁合金;井壁材料为 45 钢;胶筒 1、胶筒2 及胶筒 3 材料为橡胶,橡胶硬度分别为 75HA、80HA、80HA。在边界条件设置中,胶筒与中心管设置为表面与表面接触,摩擦因数为 0.3;隔环和中心管之间摩擦因数为 0.1;胶筒与隔环的摩擦因数为 0.3;胶筒与井壁的摩擦因数为 0
15、.513;中心管与井壁设置为完全固定,限制隔环 X 方向固定、下隔环完全固定;同时在上隔环施加压缩载荷 20MPa。3 压缩式胶筒组单因素分析 3.1压缩式胶筒组数值分析结果常规压缩式胶筒组 Mises 应力云图如图 3 所示。S,Mises(平均:75%)+2.230E+01+2.047E+01+1.864E+01+1.680E+01+1.497E+01+1.314E+01+1.131E+01+9.475E+00+7.643E+00+5.811E+00+3.979E+00+2.147E+00+3.145E 01S,Mises(平均:75%)+8.283E+00+7.610E+00+6.937
16、E+00+6.264E+00+5.591E+00+4.918E+00+4.245E+00+3.572E+00+2.899E+00+2.226E+00+1.552E+00+8.794E 01+2.063E 01S,Mises(平均:75%)+5.597E+00+5.132E+00+4.666E+00+4.200E+00+3.735E+00+3.269E+00+2.804E+00+2.338E+00+1.872E+00+1.407E+00+9.411E 01+4.754E 01+9.814E 03胶筒 1胶筒 2胶筒 3图3压缩式胶筒组 Mises 应力云图Fig.3Misesstressclou
17、dmapofcompression-typerubbercylinderassembly从图 3 中可以看出:胶筒 1 并没有完全压缩,胶筒内壁与中心管没有完全接触且存在缝隙,说明受限于单向施加载荷的影响导致远离载荷的胶筒难以产生足够的变形,胶筒有产生肩突的现象但不明显;胶筒 2 作为中间胶筒受载较胶筒 1 明显改善,胶筒与中心管和井壁完全贴合,有一定的肩突现象;胶筒 3 离受载荷端最近,胶筒过度压缩产生了明显的肩突现象,上端肩突值比下端肩突值更加明显且应力更加集中。从胶筒的应力分析可以看出,每个胶筒应力的最大位置都处于受载一端即隔环挤压胶筒发生肩突的区域,胶筒 3 的 Mises 应力值最大
18、为 22.3MPa,肩突值为 5.8mm。胶筒组沿轴向距离的接触应力曲线如图 4 所示。c)胶筒 3接触应力/MPa14121086420轴向距离/mm1020304060503.53.02.52.01.51.0接触应力/MPa轴向距离/mm0.501020304050b)胶筒 2接触应力/MPa1.2轴向距离/mm51015202530351.00.80.60.40.20a)胶筒 1图4胶筒组沿轴向距离的接触应力曲线Fig.4Thecontactstresscurvealongtheaxialdistanceofthecylinderassembly从图 4 可以看出:胶筒 1 的最大值为
19、1.1MPa,密封性能系数 K31MPamm;胶筒 2 的最大接触应力为 3.1MPa,密封性能系数 K 为 94.4MPamm;第8期钟功祥,等:压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析1263http:/ 3 的最大接触应力为 13.4MPa,密封性能系数K429.5MPamm。由于胶筒 1 和胶筒 2 的密封性能系数以及整体接触应力相较于胶筒 3 差距较大,表明胶筒 3 是胶筒组中的主要密封部分,很大程度上决定了压缩式胶筒组的密封性能。3.2内衬套结构对压缩胶筒密封性能的影响压缩式胶筒在坐封时,胶筒 1 和胶筒 2 由于离载荷端较远,坐封不完全,最终导致接触应力与密封性能系数都较低。如图 5
20、 所示,通过在胶筒内壁与中心管之间添加不同形状的内衬套结构和考虑无内衬套的异型胶筒结构,分析胶筒组在轴向载荷下的变形情况以及胶筒组与井壁之间接触压力的变化14。5.44.55.42424244a)三角形内衬套b)梯形内衬套c)异型胶筒图53 种内衬套结构参数Fig.5Structuralparametersofthreetypesofinnerliner不同内衬套结构胶筒组的接触应力曲线如图 6所示。从图 6 中可以看出:横坐标为实际应力产生的位置,虽然内衬套结构对应力位置会产生一定的影响,但差别不大,3 种结构最大应力都出现在胶筒3 与上隔环接触位置15。胶筒组整体应力情况沿加载端轴向减小,
21、最大接触应力分别为三角形 14MPa、梯形 14.2MPa、异型胶筒 14.3MPa,相较于常规胶筒的 13.4MPa 均有一定提升;整体接触应力三角形和梯形内衬套提升明显,异型胶筒在沿着轴向距离的接触应力下降较快。1614121086420220020406080100 120 140接触应力/MPa轴向距离/mm三角形梯形异型胶筒常规胶筒 3胶筒 2胶筒 1图6不同内衬套结构胶筒组的接触应力曲线Fig.6Contactstresscurvesofcylinderassemblieswithdifferentinnerlinerstructures不同内衬套结构胶筒组的密封性能系数曲线如图
22、7 所示。从图 7 中可以看出:胶筒组和单个胶筒的变化趋势一致;异型胶筒的 K 值相比于常规胶筒有一定减少,仅为 552.1MPamm;三角形内衬套和KK梯形内衬套对于胶筒的密封性能均有提升,其中三角形内衬套提升最大,相较于常规胶筒值提升了16.1%,达到 644.2MPamm。相反,异型胶筒的值相比于常规胶筒在一定程度上有所减少。660640620600580560540三角形密封性能系数 K/(MPamm)梯形异型胶筒常规密封性能系数 K/(MPamm)三角形梯形异型胶筒常规403836343230密封性能系数 K/(MPamm)三角形梯形异型胶筒常规1351301251201151101
23、051009590密封性能系数 K/(MPamm)480三角形梯形异型胶筒常规470460450440430胶筒组内衬套结构胶筒 1 内衬套结构 胶筒 2 内衬套结构胶筒 3 内衬套结构图7不同内衬套结构胶筒组的密封性能系数曲线Fig.7Coefficientofsealingperformancecurvesforcylin-derassemblieswithdifferentinnerlinerstructures不同内衬套结构的肩突值曲线图、压缩距柱状1264机械科学与技术第42卷http:/ 8 所示。从图 8 中可以看出:异型胶筒的中间留有凹槽易压缩,其压缩距最大为53.4mm,其余
24、两种结构的压缩距均为 51mm 左右,无明显变化;异型胶筒的肩突值最大为 6.2mm,三角形结构较常规胶筒提升约 5.2%为 6.06mm;整体变形情况,三角形结构坐封后空隙少,压缩效果好,其次是梯形结构,而异型胶筒空隙大、效果最差。545352515049486.56.05.55.04.54.03.53.02.52.0三角形梯形异型胶筒内衬套结构常规压缩距/mm压缩距肩突值肩突值 J/mm图8不同内衬套结构肩突曲线、压缩距柱状及胶筒变形图Fig.8Shoulderprotrusioncurves,compresseddistancecyl-indercharts,andcylinderdef
25、ormationmapsforcylin-derassemblieswithdifferentinnerlinerstructures综上所述:内衬套结构能够增强胶筒组的密封性能,其中三角形内衬套的效果最好,压缩相对更加完全,且对于肩突值的影响较小,不会增加肩突风险;异型胶筒虽然在最大接触应力方面效果更好,但其接触应力趋势下降太快,密封性能系数低。3.3防突结构对压缩胶筒密封性能的影响在实际工作条件下,肩突是导致胶筒破坏的主要原因16,所以需要对密封胶筒进行防突结构的设计与分析。这里提出两种防突结构:金属圆环和环形金属片,结构参数如图 9 所示。R3.4R4.5R4.30.20.29环形金属片
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