封隔器系統(tǒng)工作行為仿真研究

1、二九年十一月二九年十一月Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipmentso緒論o封隔器國(guó)內(nèi)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀oY341-148封隔器主要零部件的力學(xué)分析o封隔器膠筒材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究o封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型建立o封隔器系統(tǒng)工作行為仿真軟件研制oY341-148封隔器系統(tǒng)工作行為仿真分析oY341-148封隔器工作性能臺(tái)架試驗(yàn)研究o結(jié)論及建議Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 能源問題是世界各國(guó)所面臨的共同問題 封隔器是石油開發(fā)的主要井下工

2、具之一 石油天然氣鉆探和開采難度不斷加大，對(duì)封隔器的工作性能提出了更高的要求 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在石油工業(yè)方面也已得到應(yīng)用Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 以江漢采油工藝研究院Y341-148封隔器為研究對(duì)象，通過建立其坐封、密封、解封工作行為仿真的力學(xué)、數(shù)學(xué)模型，開發(fā)井下封隔器工作行為仿真分析軟件，找到封隔器在不同工況條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和力學(xué)性能，為進(jìn)一步提高現(xiàn)有封隔器的綜合性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)和研制新型井下封隔器提供新的理論和方法。Modern Design and Simulation Lab for Oil an

3、d Gas Equipments（1）開展了封隔器膠筒的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，建立了橡膠材料在特定工況下的本構(gòu)關(guān)系；（2）將膠筒柔性體與膠筒座、套管壁等剛性體運(yùn)動(dòng)過程中的接觸區(qū)域處理為持續(xù)變化的非線性邊界條件；（3）在國(guó)內(nèi)率先建立了膠筒大變形特征的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型，并進(jìn)行了求解；Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments（4）開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真軟件；（5）自行設(shè)計(jì)建造了封隔器整體工作性能測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)架，完成了Y341-148封隔器臺(tái)架試驗(yàn)研究。Modern Design and Sim

4、ulation Lab for Oil and Gas Equipments壓縮式擴(kuò)張式自封式組合式Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments錨定式分層注水管柱油套保護(hù)分層注水管柱超高壓注水管柱可洗井高壓注水管柱Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas EquipmentsModern Design and Simulation Lab for Oil and Gas EquipmentsModern Design and Simulation Lab for O

5、il and Gas Equipments Y341-148封隔器結(jié)構(gòu)示意圖1 上接頭；2銷釘；3上外套；4鎖簧座；5鎖扣指；6 鎖指套；7鎖環(huán)；8卡爪套；9內(nèi)中心管；10外中心管；11上膠筒座；12膠筒 1-3 ；13隔環(huán)；14下膠筒座；15上活塞套；16上活塞；17下中心管；18下活塞套；19下活塞；20下接頭；21剪釘；22剪釘座；23防撞環(huán)Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments座封：油管內(nèi)加液壓，經(jīng)過中心管上的孔進(jìn)入下活塞套腔內(nèi)，迫使活塞套向上推動(dòng)下膠筒座壓縮膠筒，當(dāng)膠筒壓縮到位后，外中心管上端的鎖環(huán)總成鎖

6、死，完成座封。解封：上提油管，靠膠筒與油管間的摩擦力，使封隔器的解封銷釘拉斷，鎖環(huán)套和外中心管分離，從而使鎖套、外中心管、下膠筒座等部件向下移動(dòng)，膠筒在自身的彈力下恢復(fù)原狀，完成解封動(dòng)作。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments Y341-148井下封隔器由27個(gè)零件組成，分為密封、坐封和解封三大部分 解封密封坐封圖3.1 封隔器裝配圖Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas EquipmentsModern Design and Simulation Lab

7、for Oil and Gas Equipments 應(yīng) 力 大 部 分在200MPa左右。但在柵狀進(jìn)水孔的兩端有應(yīng)力集中應(yīng)力集中Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖3.6上外套有限元計(jì)算結(jié)果 (a) 增大到端面距離后的應(yīng)力分布(b) 增大柵格寬度后的應(yīng)力分布 增大柵格到端面的距離后，應(yīng)力整體分布較均勻，在87.7-175.4MPa之間，比原結(jié)構(gòu)應(yīng)力小。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments表3.1 內(nèi)中心管結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比值

8、中間應(yīng)力MPa兩端應(yīng)力MPa應(yīng)力集中MPa優(yōu)化前 優(yōu)化后 110.7-147.1110.7-147.137.48-74.1137.48-74.1133033030230234.23-67.734.23-67.7 活塞下端與下活塞接觸螺紋的退刀槽和進(jìn)水孔處有相對(duì)較大的應(yīng)力集中，在500MPa左右。優(yōu)化后，上活塞應(yīng)力分布在114.7-228.2MPa之間，退刀槽底部倒圓角以后，應(yīng)力集中也減小。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 膠筒是封隔器的關(guān)鍵部件，本文開展了封隔器膠筒目前所用4種橡膠材料在模擬實(shí)際工作環(huán)境下的

9、力學(xué)性能試驗(yàn)研究，測(cè)定了這4種橡膠材料在不同載荷、不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，建立了與井下實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)的膠筒材料本構(gòu)關(guān)系Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 對(duì)封隔器膠筒硫化橡膠的標(biāo)準(zhǔn)試樣在不同壓力和不同溫度條件下的性能進(jìn)行試驗(yàn)，獲取應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及橡膠的壓縮模量、楊氏模量等值，為封隔器有限元仿真計(jì)算提供材料本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 本次試驗(yàn)根據(jù)GB/T 7757-93：硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能

10、的測(cè)定,采用了施加壓縮力的金屬板經(jīng)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的方法，試驗(yàn)件和金屬板達(dá)到充分潤(rùn)滑。 本試驗(yàn)在中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院完成。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 試樣分組：將經(jīng)過試樣檢驗(yàn)合格的試樣分組； 溫度分組：試驗(yàn)溫度分為如下七檔：25、50、75、100、125、150、175 試驗(yàn)的測(cè)量：測(cè)量試樣的直徑和高度； 安裝試驗(yàn)件：將試件上、下圓面涂潤(rùn)滑油后，安裝在試驗(yàn)機(jī)上，加溫穩(wěn)定3-5分鐘，開始試驗(yàn)； 加載：對(duì)每一試件按04000N，每隔500N 加載、卸載一次并記錄試件的變形量。Modern Design and S

11、imulation Lab for Oil and Gas Equipments 該試驗(yàn)在如圖4.1的SB802熱、機(jī)綜合疲勞試驗(yàn)器上進(jìn)行。試驗(yàn)中還用到以下設(shè)備：K型熱電偶、杠桿百分表、外徑千分尺、壓力傳感器等。圖4.1 SB802熱、機(jī)綜合疲勞試驗(yàn)器簡(jiǎn)圖Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖4.2 SB802熱、機(jī)綜合疲勞試驗(yàn)器實(shí)物圖Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖4.3 SB802熱、機(jī)綜合疲勞試驗(yàn)器實(shí)物圖Modern D

12、esign and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并擬出合應(yīng)力應(yīng)變曲線。3)()(22oEG 在完全潤(rùn)滑條件下壓縮均勻，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：對(duì)于不大于30%的較高應(yīng)變量，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：) 1(3)1/(1GEocE）（1cEE壓縮模量：潤(rùn)滑試樣楊氏模量：Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments00.511.522.533.5400.10.20.3應(yīng)變應(yīng)力 MPay = 12.335x - 0.0268-0.500.511.522.533.500.0

13、50.10.150.20.25應(yīng)變應(yīng)力 MPay = 51.584x2 - 1.198x + 0.111100.511.522.533.5400.050.10.150.20.250.3應(yīng)變應(yīng)力MPaModern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 通過以上試驗(yàn)得出：橡膠壓縮階段小變形時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，可以描述為： E 材料卸載后自然回彈的松弛過程，呈非線性形式，可以用二次多項(xiàng)式形式描述： 2BA Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments

14、889.111102.16883.9229.28629757.871.6625210.66322853.765.6353211.37518796.41538.52211.82475489.352.9293211.90528145.148.1338211.92121.259247.96452溫度溫度（攝氏度）（攝氏度）壓縮階段線性關(guān)系壓縮階段線性關(guān)系松弛階段非線性關(guān)系松弛階段非線性關(guān)系Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 接觸問題的復(fù)雜性接觸問題的復(fù)雜性 接觸區(qū)域的不穩(wěn)定性 接觸界面摩擦現(xiàn)象描述的不準(zhǔn)確性 接觸體本

15、身材料的非線性和幾何變形的非線性 虛擬載荷法虛擬載荷法 將不連續(xù)的接觸系統(tǒng)還原成單個(gè)接觸問題的純邊值問題，再由接觸區(qū)內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的局部處理，確定真實(shí)的接觸區(qū)參數(shù)及系統(tǒng)的應(yīng)力和位移場(chǎng)Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments5.2 封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化 計(jì)算模型計(jì)算模型 零件結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱 受力及約束是軸對(duì)稱的 系統(tǒng)的變形呈軸對(duì)稱形式Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 啟動(dòng)瞬間啟動(dòng)瞬間 封隔器在坐封或解封過程啟動(dòng)的

16、瞬間，由于剪釘分布不是軸對(duì)稱的，本文中將剪釘分布假定為軸對(duì)稱的環(huán)帶，取其剪切強(qiáng)度為一等效值采用消除環(huán)帶單元的方式5.2 封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 密封膠筒 封隔器膠筒的大變形特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接體現(xiàn)了封隔器的坐封和解封過程，為數(shù)值仿真的核心所在端膠筒中膠筒膠筒幾何外形5.2 封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 密封摩擦 膠筒變

17、形和零部件之間的摩擦是坐封的主要阻力 解封過程 剪釘剪斷后膠筒的自動(dòng)反彈（卸壓）過程是封隔器的解封過程，這時(shí)所有的阻力源與坐封過程相似，但方向相反。圖5.4 簡(jiǎn)化后的封隔器整體接觸有限元模型示意圖5.2 封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化封隔器研究要點(diǎn)及模型簡(jiǎn)化Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 封隔器材料本構(gòu)模型封隔器材料本構(gòu)模型 材料本構(gòu)關(guān)系通過試驗(yàn)已經(jīng)得出，在坐封過程有限元數(shù)值求解時(shí)，增量迭代步僅需考慮大變形的影響；解封過程采用常規(guī)的彈塑性求解模式，增量迭代步需同時(shí)考慮材料和幾何非線性。 Modern Design

18、 and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 摩擦接觸問題求解方法摩擦接觸問題求解方法 采用虛擬接觸載荷法，將虛擬接觸載荷施加在可能發(fā)生的接觸區(qū)域，模擬接觸力分布，若這些虛擬載荷能保證接觸區(qū)內(nèi)原有的應(yīng)力、位移約束條件不發(fā)生任何變化，這些虛擬接觸載荷即成為真實(shí)的接觸力。 有限元分析采用增量法求解，對(duì)接觸區(qū)也采用增量形式迭代求解，在瞬時(shí)構(gòu)形中討論待定的接觸邊界。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments滑動(dòng)摩擦接觸區(qū)內(nèi)的應(yīng)力、位移約束條件為：二接觸面間的法向間隙為零值： 二接

19、觸面上的法向應(yīng)力恒為壓應(yīng)力： 二接觸面的切向位移無約束，切向應(yīng)力服從摩擦滑動(dòng)定律： 0nBnAnUU0BnAnndBtAtModern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 封隔器有限元模型封隔器有限元模型 將坐封(解封)過程依據(jù)流體壓力大小分為若干增量步，模擬分析每一增量步時(shí)刻封隔器系統(tǒng)內(nèi)部各零部件的變形、應(yīng)力、及其膠筒逐漸變形引起的密封、解封進(jìn)程。所有載荷增量步的計(jì)算結(jié)果累積即連結(jié)形成一個(gè)連續(xù)的工作流程。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments

20、基本物理關(guān)系：軸對(duì)稱模型中，采用圓柱坐標(biāo)系 ，以對(duì)稱軸為Z軸，所有應(yīng)力、應(yīng)變和位移都僅為 的函數(shù)，而與方向 無關(guān)。應(yīng)力、應(yīng)變、位移分量分別為:),(zrzr,),(rzzr),(rzzr),(zUrU式中: ， 為形函數(shù)， 代表單元第 節(jié)點(diǎn)的位移向量，僅有軸向z和徑向r兩個(gè)分量； 表達(dá)式為：在單元角點(diǎn)niiUNU1iNiUi)1)(1)(1(4/1iiiiiNiNModern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 單元應(yīng)變與應(yīng)力表達(dá)式，直接采用彈性理論中的表達(dá)式：TrzzrrurzwzrwzurzruTrzzr引入形函數(shù)后，可

21、得到其應(yīng)變矩陣： aB線性彈性變形條件下，單元的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)椋篹DBa)21 (002)21 (000)1 (0)1 ()21)(1 (EDModern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 非線性彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系雖為非線性，但材料完全彈性，應(yīng)力應(yīng)變互為單值函數(shù)，與加載歷史無關(guān)，通過材料性能實(shí)驗(yàn)，即可建立應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)變強(qiáng)度的一般關(guān)系：)(2/1231223212211332332222211)(6)()()(212/1231223212211332332222211)(6)()()(32dDdNL本構(gòu)方程的增量形式可表述為

22、：Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments封隔器系統(tǒng)工作行為仿封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型求解框圖真模型求解框圖 在每一個(gè)載荷增量步迭代計(jì)算結(jié)束時(shí)，即刻修正單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、修正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾何形狀，確保計(jì)算有足夠的精度。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments（1）單元多樣化 本程序引入了變節(jié)點(diǎn)的四邊形等參單元，單元節(jié)點(diǎn)可以從48節(jié)點(diǎn)隨意變換，即可在四邊形的任一邊或多邊上增加中間節(jié)點(diǎn)。模擬曲線邊界時(shí)，即可采用這類二次多項(xiàng)式形式模擬，充分保證了復(fù)雜

23、結(jié)構(gòu)邊界模擬的精度，同時(shí)也節(jié)省了單元和節(jié)點(diǎn)，以及大量數(shù)據(jù)處理的工作量。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments(2)簡(jiǎn)化的接觸區(qū)定義Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments(3)材料多樣化 本研究程序考慮了2種相同本構(gòu)材料（鋼、橡膠）的應(yīng)用，但可以具有多種變化參數(shù)或多種屈服模式。(4)求解范圍推廣 本程序主要解決軸對(duì)稱問題，推廣應(yīng)用到平面問題：可以求解彈塑性摩擦接觸的平面問題。(5)應(yīng)力分析結(jié)果的再處理 對(duì)初步計(jì)算出的應(yīng)力作處理，主要采用

24、單元局部應(yīng)力磨平的方式，用應(yīng)力線性外推求解出單元節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力應(yīng)變。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 封隔器系統(tǒng)離散后有限單元數(shù)量2489個(gè)，3332個(gè)節(jié)點(diǎn)。本部分工作具有下述共通特征：(1)單元尺度 軸對(duì)稱單元均為平面單元形式，其環(huán)向應(yīng)力、變形均由平面內(nèi)的位移描述，因而對(duì)單元尺度作了必要限制，以提高計(jì)算分析精度。本研究中，所有四邊形單元的長(zhǎng)短邊之比一般為2:1，特殊情形不超過3:1，單元的最短邊約2mm。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equ

25、ipments(2)單元形狀 考慮到零部件的曲線邊界多為接觸區(qū)域，因此在有限單元剖分時(shí)，大部分采用4節(jié)點(diǎn)等參單元，而對(duì)個(gè)別部位采用5節(jié)點(diǎn)等參單元。 (3)軸對(duì)稱簡(jiǎn)化 合理地將封隔器系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)軸對(duì)稱體系。(4)螺紋連接簡(jiǎn)化 螺紋連接區(qū)域的幾何形狀、應(yīng)力分布比較復(fù)雜。本研究中將所有螺紋連接部位簡(jiǎn)化為固定連接Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments(5)密封圈（盤根）的簡(jiǎn)化 本研究中，將密封圈的張緊力轉(zhuǎn)換為徑向壓力和滑動(dòng)方向的摩擦阻力，分別施加在原密封圈的配合節(jié)點(diǎn)對(duì)上(6)零部件之間的配合（貼靠） 本文對(duì)零部件之間的貼

26、靠均假定初始狀態(tài)是連接在一起的，構(gòu)造網(wǎng)格單元時(shí)直接將配對(duì)節(jié)點(diǎn)固連。對(duì)有相對(duì)變化、可演變?yōu)榻佑|問題的動(dòng)態(tài)配合面直接處理成可能接觸區(qū)。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖5.6 封隔器系統(tǒng)有限元離散模型總圖圖5.7 封隔器系統(tǒng)有限元離散模型局部圖（上接頭區(qū)域） 圖5.8 封隔器系統(tǒng)有限元離散模型局部圖（膠筒密封區(qū)域） Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖5.10 封隔器系統(tǒng)有限元離散模型局部圖（下活塞、下接頭區(qū)域） 圖5.9 封隔

27、器系統(tǒng)有限元離散模型局部圖（上活塞區(qū)域）Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments橡膠的彈性模量：使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)；橡膠泊松比：0.40.49；摩擦系數(shù)試?。?f=0.04；油壓：35MPa封隔器膠筒與套管內(nèi)壁的間隙：3.5mmModern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)管理參數(shù)輸入結(jié)果輸出有限元網(wǎng)格劃分計(jì)算求解模塊圖形交互界面VB6.0有限元計(jì)算部分VFortran 6.5，DLL采用ODBC 開放式數(shù)據(jù)源Microsoft.Jet.

28、OLEDB.4.0軟件運(yùn)行平臺(tái)Windows操作系統(tǒng)圖6.1 封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件總體設(shè)計(jì)方案示意圖 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas EquipmentsY341-148井下封隔器工作行為仿真軟件原始參數(shù)輸入工作行為仿真計(jì)算仿真結(jié)果輸出幫助系統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)參數(shù)節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)據(jù)庫(kù)工作壓力及材料參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)自定義仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與修改數(shù)據(jù)管理部分調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接程序完成仿真計(jì)算過程零件應(yīng)力數(shù)據(jù)表膠筒變形狀態(tài)仿真計(jì)算源文件所有零件特殊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變隨步長(zhǎng)變化規(guī)律軟件運(yùn)行環(huán)境及安裝應(yīng)用軟件使用向?qū)D6.2 封隔器工作行為仿真軟件總體

29、結(jié)構(gòu)示意圖 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖6.3 軟件運(yùn)行界面圖6.4 軟件運(yùn)行主界面 6.3 封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介打 開仿 真結(jié)果保 存仿 真結(jié)果幫助文件輸入計(jì)算原始參數(shù)開 始仿 真計(jì)算查 看仿 真結(jié)果主菜單工具欄仿 真計(jì) 算窗口進(jìn)度欄Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖6.5 原始參數(shù)輸入整體界面圖6.6 系統(tǒng)默認(rèn)封隔器結(jié)構(gòu)參數(shù)圖6.7 逐一選擇零件結(jié)構(gòu)參數(shù) 6.3 封隔器系

30、統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖6.8 工作壓力及材料參數(shù)輸入界面 圖6.9 節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)據(jù)庫(kù) 圖6.11 計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)文件圖6.10 封隔器膠筒在計(jì)算過程應(yīng)力及輪廓變化情況 6.3 封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖6.12 膠筒一、膠筒二、膠筒三變形及應(yīng)力示意圖 6.3 封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟

31、件簡(jiǎn)介封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 該仿真軟件綜合利用兩種開發(fā)工具 Visual Basic 6.0 和 Visual Fortran 6.5 的優(yōu)點(diǎn)，使得本文開發(fā)的封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件既具有計(jì)算效率高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，又達(dá)到了界面美觀、操作簡(jiǎn)便的要求。該軟件現(xiàn)已通過中國(guó)石油化工股份有限公司科技開發(fā)部專家組的測(cè)試驗(yàn)收，得到了專家組的好評(píng)。6.3 封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介Modern Design and Simulation L

32、ab for Oil and Gas Equipments6.3 封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介封隔器系統(tǒng)接觸有限元分析軟件簡(jiǎn)介Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 本文研究的仿真軟件計(jì)算出了封隔器在整個(gè)工作過程中所有零件的所有工作狀態(tài)參數(shù)，主要有所有節(jié)點(diǎn)的各向應(yīng)力、位移等值，以單元節(jié)點(diǎn)的形式說明了封隔器的工作過程。 本文對(duì)封隔器仿真結(jié)果的分析主要集中在三個(gè)膠筒、剪釘座、內(nèi)中心管、上活塞、外套、外中心管這幾個(gè)零件。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas

33、 Equipments 流體進(jìn)入坐封器上、下活塞腔時(shí)，推動(dòng)活塞向膠筒方向（正向）運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓力增大到一定程度，剪釘被剪斷，活塞就可直接推動(dòng)、擠壓膠筒，使其徑向膨脹，與井壁、外中心管密封，完成坐封動(dòng)作表7.1 剪釘剪斷瞬間主要部位的應(yīng)力 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments通過常規(guī)計(jì)算分析，當(dāng)剪切帶內(nèi)的最大剪應(yīng)力達(dá)到50.208MPa，剪釘被剪斷，此時(shí)流體壓力為5.1MPa。有限元解考慮了實(shí)際受力狀況，取剪釘帶上的最大剪應(yīng)力作為剪切判斷依據(jù)。仿真計(jì)算知道：剪釘剪斷時(shí)，流體壓力在4MPa左右，此時(shí)剪釘座的Mises應(yīng)力

34、為57.1MPa。 Modern Design and Simulation Lab for Oil-Gas Equipments零件名稱零件名稱SMAXSMAXSMAXRSMAXRSMAXZSMAXZSMAXRZSMAXRZSMAXCSMAXCSMATSMAT1.1.上接頭上接頭48.87632-20.36524-44.32568-18.49079-1.807116-4.252882.2.鎖簧座鎖簧座25.14333-8.038394-13.77886-7.17144910.37948-6.7818013.3.外套外套52.47447-6.993479-50.0723410.669733.4

35、07653-3.9516474.4.鎖扣指等鎖扣指等17.239132.852555-.2014876.222907218.356191.3255345.5.內(nèi)套內(nèi)套55.06724-5.784057-54.349410.31894.6581047-2.1702926.6.上膠筒座上膠筒座48.73386-11.35608-55.4958910.53405-9.325193.17710117.7.卡爪套卡爪套18.08528-2.010998-19.436672.582046-1.816754.09015038.8.內(nèi)中心管內(nèi)中心管84.61073-10.3616660.30635.80311

36、7683.3809424.972349.9.外中心管外中心管23.43971-.3686795-24.04237.673532-.903928.27719810.10.端膠筒端膠筒-1-131.33084-13.21009-34.1218612.07068-38.3813115.3424511.11.隔環(huán)隔環(huán)-1-152.5144718.11216-13.27146-6.28380946.016362.42034512.12.中膠筒中膠筒31.26839-96.06445-105.73178.372388-74.49109-8.3697413.13.下膠筒座下膠筒座79.39703-18.61

37、135-71.73274-30.35855-7.4552991.31036414.14.上活塞上活塞79.86388-24.29866-95.05695-15.74085-16.3204-2.31728115.15.上活塞套上活塞套35.25874-7.473498-41.67161-7.765648-10.96632.58680316.16.下中心管下中心管59.387342.979016-16.63542-.593907850.06866-6.82820417.17.下接頭下接頭110.2444-12.03271-130.4919-22.98128-64.5553728.4124118.1

38、8.剪釘座剪釘座1.170459-.3131635-.3191374-9.479E-02-1.475026.626856619.19.下活塞下活塞39.33978-7.914771-30.968129.31578710.36918-7.4950520.20.防撞環(huán)防撞環(huán)13.74116-5.602574-8.257792-7.611537-3.8116172.30394321.21.隔環(huán)隔環(huán)-2-250.692219.57793-11.44965-6.9861145.310334.0641422.22.端膠筒端膠筒-2-229.02929-3.117537-20.43223-4.8294061

39、1.63198-6.746799Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖7.1(a) 封隔器坐封過程零件位移變化圖 圖7.1(b) 下接頭區(qū)域局部放大圖圖7.1(c) 下活塞區(qū)域局部放大圖 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖7.2 膠筒外壁中心軸向位移壓縮量 -551525354505101520253035404550載荷步軸向壓縮量mm膠筒一膠筒二膠筒三從圖中可以看出，兩個(gè)端膠筒的壓縮量較大，在40mm以上，中膠筒壓縮量較小，

40、在30mm左右，所有膠筒變形基本在45%左右。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖 7 . 3 ( c ) 膠 筒 三 外 壁 中 心 點(diǎn) 各 向 應(yīng) 力- 2 0- 1 5- 1 0- 505051 01 52 02 53 03 54 04 55 0載 荷 步應(yīng)力值 MPaM i s e s 應(yīng) 力R 向 應(yīng) 力Z 向 應(yīng) 力R Z 向 應(yīng) 力C 向 應(yīng) 力剪 應(yīng) 力三個(gè)膠筒各向應(yīng)力大小及變化趨勢(shì)基本相同，在達(dá)到密封時(shí)，軸向應(yīng)力最大，在20MPa左右，其次為R向應(yīng)力和C向應(yīng)力，基本在15MPa左右，而RZ向

41、應(yīng)力和剪應(yīng)力值都相對(duì)較小。這說明三個(gè)膠筒在工作過程中主要受軸向壓力、R向應(yīng)力、C向應(yīng)力較大，這與膠筒工作實(shí)際情況相符 圖7.3(b)膠筒二外壁中心點(diǎn)各向應(yīng)力-20-15-10-50505101520253035404550載荷步應(yīng)力值 MPaMises應(yīng)力R向應(yīng)力Z向應(yīng)力RZ向應(yīng)力C向應(yīng)力剪應(yīng)力Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 內(nèi)中心管在剪釘剪斷前的4個(gè)載荷步內(nèi)，Mises應(yīng)力及C向應(yīng)力有一定值且不斷增大，在剪釘剪斷后，應(yīng)力回落后又持續(xù)增加，油壓達(dá)到最大值時(shí)Mises應(yīng)力及C向應(yīng)力也達(dá)到最大值。Modern

42、Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 封隔器的密封過程，在本文的仿真軟件中表示為油壓達(dá)到20MPa以后的一段穩(wěn)定過程，所有零件應(yīng)力及位移值在這幾步步長(zhǎng)內(nèi)基本保持不變，在隨步長(zhǎng)的變化曲線圖中反映為：在25載荷步到28載荷步，膠筒一、二、三的徑向膨脹緊貼在套管內(nèi)壁，接觸產(chǎn)生的摩擦力使得膠筒承受一定的軸向壓差，實(shí)現(xiàn)封隔器的密封作用。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments表7.2密封過程三個(gè)膠筒外壁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值零件名稱零件名稱SMAXSMAXSMAXRSM

43、AXRSMAXZSMAXZSMAXRZSMAXRZSMAXCSMAXCSMATSMAT10.10.端膠筒端膠筒-1-1：N4N4節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)2.701528-17.71705-19.49609.3506716-16.47219-.589120910.10.端膠筒端膠筒-1-1：N5N5節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)4.321363-16.13511-20.37136.5660823-16.190846.503E-0210.10.端膠筒端膠筒-1-1：N6N6節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)3.699701-15.87803-19.18673.7100562-15.54125-9.542E-0212.12.中膠筒：中膠筒：N4N4節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)2.2

44、22256-18.72948-19.03591.2075786-16.70583-.959429712.12.中膠筒：中膠筒：N5N5節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)3.696077-16.15045-19.54182.551721-15.81593-.123508912.12.中膠筒：中膠筒：N6N6節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)3.009023-15.32708-17.55346.7674438-14.55089-.268637222.22.端膠筒端膠筒-2-2：N4N4節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)2.365424-17.21789-18.417.2976387-15.75564-.69621822.22.端膠筒端膠筒-2-2：N5N5節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)4.065

45、926-15.22452-19.19973.528811-15.252244.843E-0222.22.端膠筒端膠筒-2-2：N6N6節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)3.528289-14.89342-18.05972.6763087-14.59043-8.229E-02 三個(gè)膠筒外壁中間點(diǎn)Mises應(yīng)力為最大，中心點(diǎn)兩側(cè)稍低。中間點(diǎn)軸向應(yīng)力分別為-20.37、-19.54、-19.20MPa，在各向應(yīng)力中最大。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments表7.3 密封過程主要零部件Mises應(yīng)力最大值及所在點(diǎn)對(duì)應(yīng)的其他應(yīng)力 鋼性件在密封過程

46、中，內(nèi)中心管受軸向拉力，上活塞、外套、外中心管等主要承受軸向壓力。其中上活塞是承力的較危險(xiǎn)部件。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 封隔器的解封過程即坐封過程的逆向過程，在仿真軟件中通過加反向載荷實(shí)現(xiàn)，載荷步為1MPa，共卸載20步。 膠筒的位移及變形在卸載的過程中有一定的波動(dòng)，但整體上各應(yīng)力值呈下降趨勢(shì)。各鋼性零件在解封時(shí)，各向應(yīng)力基本上呈線性變化的趨勢(shì)下降。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖8.1 傳感器檢測(cè)工作原理示

47、意圖 試驗(yàn)臺(tái)架由測(cè)試罐體、連接罐體、套管頭、套管座等組成。其中，測(cè)試罐體和連接罐體由7in套管加工而成。 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖8.3本文所設(shè)計(jì)和建造的試驗(yàn)臺(tái)架照片 Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 主要是測(cè)試封隔器零件表面特征點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，驗(yàn)證井下封隔器工作行為仿真軟件的正確性。應(yīng) 變 片：測(cè)試剛性件應(yīng)變 應(yīng)力傳感器：測(cè)試膠筒接觸應(yīng)力 位移傳感器：測(cè)量膠筒變形和軸向位移Modern Design and

48、Simulation Lab for Oil and Gas Equipments 為保證試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)的正確性，本文共進(jìn)行了3套封隔器的臺(tái)架試驗(yàn)，步驟如下： （1）中心管加液壓至25MPa，測(cè)試該過程中膠筒表面特征點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)(步長(zhǎng)2MPa) ； （2）下部環(huán)空加液壓至25MPa，測(cè)試該過程中膠筒表面特征點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)(步長(zhǎng)2MPa) ； （3）上部環(huán)空加液壓至25MPa，測(cè)試該過程中膠筒表面特征點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)(步長(zhǎng)2MPa) ； （4）卸中心管壓，測(cè)試該過程膠筒表面特征點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。Modern Design and Simulation Lab for Oil and Gas Equipments圖8.4不同摩擦系數(shù)時(shí)上膠筒測(cè)式點(diǎn)8對(duì)比圖 計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)?？紤]了膠筒與內(nèi)外套管之間不同摩擦系數(shù)的影響，從圖上可以看出，仿真計(jì)算中摩擦系數(shù)應(yīng)取較小值圖8.5不同摩擦系數(shù)時(shí)上膠筒測(cè)式點(diǎn)22對(duì)比圖 Modern Design and Simulation Lab for Oil and