封隔器系统工作行为仿真研究

油气装备现代设计与仿真实验室封隔器系统工作行为仿真研究主讲：刘清友二○○九年十一月ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments内容1.绪论2.封隔器国内外研究与发展现状3.Y341-148封隔器主要零部件的力学分析4.封隔器胶筒材料力学性能试验研究5.封隔器系统工作行为仿真模型建立6.封隔器系统工作行为仿真软件研制7.Y341-148封隔器系统工作行为仿真分析8.Y341-148封隔器工作性能台架试验研究9.结论及建议ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments1.1研究背景能源问题是世界各国所面临的共同问题封隔器是石油开发的主要井下工具之一石油天然气钻探和开采难度不断加大，对封隔器的工作性能提出了更高的要求计算机仿真技术在石油工业方面也已得到应用1绪论ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments1.2研究目的及意义以江汉采油工艺研究院Y341-148封隔器为研究对象，通过建立其坐封、密封、解封工作行为仿真的力学、数学模型，开发井下封隔器工作行为仿真分析软件，找到封隔器在不同工况条件下的运动规律和力学性能，为进一步提高现有封隔器的综合性能、优化设计和研制新型井下封隔器提供新的理论和方法。ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments1.3研究主要内容（1）开展了封隔器胶筒的力学性能试验研究，建立了橡胶材料在特定工况下的本构关系；（2）将胶筒柔性体与胶筒座、套管壁等刚性体运动过程中的接触区域处理为持续变化的非线性边界条件；（3）在国内率先建立了胶筒大变形特征的封隔器系统工作行为仿真模型，并进行了求解；ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments（4）开发了具有自主知识产权的封隔器系统工作行为仿真软件；（5）自行设计建造了封隔器整体工作性能测试的试验台架，完成了Y341-148封隔器台架试验研究。1.3研究主要内容ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments2.1封隔器的功能、分类及现有封隔器的结构封隔器按时间可取式永久式按原理机械式水力式按结构压缩式扩张式自封式组合式2封隔器国内外研究与发展现状ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipmentsY341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器底部循环凡尔底部循环凡尔注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器底部循环凡尔底部循环凡尔注水层注水层注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器注水层注水层注水层注水层锚定式分层注水管柱Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器水井双向锚水井双向锚底部循环凡尔底部循环凡尔注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器水井双向锚水井双向锚底部循环凡尔底部循环凡尔注水层注水层注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器偏心配水器偏心配水器注水层注水层注水层注水层油套保护分层注水管柱超高压注水管柱压井洗井开关压井洗井开关管柱伸缩补偿器管柱伸缩补偿器Y241Y241封隔器封隔器坐封球座坐封球座水力锚水力锚注水层注水层压井洗井开关压井洗井开关管柱伸缩补偿器管柱伸缩补偿器Y241Y241封隔器封隔器坐封球座坐封球座水力锚水力锚注水层注水层注水层注水层可洗井高压注水管柱压井洗井开关压井洗井开关管柱伸缩补偿器管柱伸缩补偿器Y241Y241可洗井封隔器可洗井封隔器坐封球座坐封球座水力锚水力锚节流滑套节流滑套注水层注水层压井洗井开关压井洗井开关管柱伸缩补偿器管柱伸缩补偿器Y241Y241可洗井封隔器可洗井封隔器坐封球座坐封球座水力锚水力锚节流滑套节流滑套注水层注水层注水层注水层封隔器在石油开采中的应用--注水ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments封堵层采油层采油层下管柱坐封封隔器投球丢手抽油打捞上提解封封隔器在石油开采中的应用--堵水ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments下管柱坐封封隔器投球丢手打捞封堵层采油层采油层抽油解封上提封隔器在石油开采中的应用--堵水ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments封隔器结构Y341-148封隔器结构示意图1上接头；2销钉；3上外套；4锁簧座；5锁扣指；6锁指套；7锁环；8卡爪套；9内中心管；10外中心管；11上胶筒座；12胶筒1-3；13隔环；14下胶筒座；15上活塞套；16上活塞；17下中心管；18下活塞套；19下活塞；20下接头；21剪钉；22剪钉座；23防撞环ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments工作原理座封：油管内加液压，经过中心管上的孔进入下活塞套腔内，迫使活塞套向上推动下胶筒座压缩胶筒，当胶筒压缩到位后，外中心管上端的锁环总成锁死，完成座封。解封：上提油管，靠胶筒与油管间的摩擦力，使封隔器的解封销钉拉断，锁环套和外中心管分离，从而使锁套、外中心管、下胶筒座等部件向下移动，胶筒在自身的弹力下恢复原状，完成解封动作。ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments3.1三维实体模型的建立Y341-148井下封隔器由27个零件组成，分为密封、坐封和解封三大部分解封密封坐封图3.1封隔器装配图3Y341-148封隔器主要零部件的力学分析与结构优化ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments图3.2封隔器部分零部件3.1三维实体模型的建立ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments3.2上外套有限元分析及结构优化应力大部分在200MPa左右。但在栅状进水孔的两端有应力集中应力集中图3.5有限元分析计算结果有限元分析约束和载荷条件ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments图3.6上外套有限元计算结果(a)增大到端面距离后的应力分布(b)增大栅格宽度后的应力分布增大栅格到端面的距离后，应力整体分布较均匀，在87.7-175.4MPa之间，比原结构应力小。3.2上外套有限元分析及结构优化ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments表3.1内中心管结构优化前后应力对比值中间应力MPa两端应力MPa应力集中MPa优化前优化后110.7-147.137.48-74.11330101.2-134.730234.23-67.7中心管分析优化结果上活塞分析优化结果活塞下端与下活塞接触螺纹的退刀槽和进水孔处有相对较大的应力集中，在500MPa左右。优化后，上活塞应力分布在114.7-228.2MPa之间，退刀槽底部倒圆角以后，应力集中也减小。3.2上外套有限元分析及结构优化ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments胶筒是封隔器的关键部件，本文开展了封隔器胶筒目前所用4种橡胶材料在模拟实际工作环境下的力学性能试验研究，测定了这4种橡胶材料在不同载荷、不同温度下的应力-应变数据，建立了与井下实际工况相对应的胶筒材料本构关系4封隔器胶筒材料力学性能试验研究ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments4.1试验目的及试验内容对封隔器胶筒硫化橡胶的标准试样在不同压力和不同温度条件下的性能进行试验，获取应力－应变关系及橡胶的压缩模量、杨氏模量等值，为封隔器有限元仿真计算提供材料本构关系数据。ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments试验标准：本次试验根据GB/T7757-93：《硫化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应变性能的测定》,采用了施加压缩力的金属板经润滑剂润滑的方法，试验件和金属板达到充分润滑。本试验在中国燃气涡轮研究院完成。4.1试验目的及试验内容ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments试验步骤：试样分组：将经过试样检验合格的试样分组；温度分组：试验温度分为如下七档：25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃试验的测量：测量试样的直径和高度；安装试验件：将试件上、下圆面涂润滑油后，安装在试验机上，加温稳定3-5分钟，开始试验；加载：对每一试件按0－4000N，每隔500N加载、卸载一次并记录试件的变形量。4.1试验目的及试验内容ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments试验设备及原理：该试验在如图4.1的SB802热、机综合疲劳试验器上进行。试验中还用到以下设备：K型热电偶、杠杆百分表、外径千分尺、压力传感器等。图4.1SB802热、机综合疲劳试验器简图4.1试验目的及试验内容ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments图4.2SB802热、机综合疲劳试验器实物图4.1试验目的及试验内容ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments图4.3SB802热、机综合疲劳试验器实物图4.1试验目的及试验内容ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments4.2数据记录及处理对试验数据进行处理，并拟出合应力应变曲线。在完全润滑条件下压缩均匀，应力应变关系为：对于不大于30%的较高应变量，应力应变关系为：)1(3)1/(1GEo＝＝cE）（ｏ1cEE压缩模量：润滑试样杨氏模量：ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments00.511.522.533.5400.10.20.3应变应力MPay=12.335x-0.0268-0.500.511.522.533.500.050.10.150.20.25应变应力MPa图4.5505#橡胶在150°C时应力应变曲线及其压缩阶段拟合曲线y=51.584x2-1.198x+0.111100.511.522.533.5400.050.10.150.20.250.3应变应力MPa图4.6505#橡胶在150°C时应力应变曲线松弛阶段拟合曲线图4.2数据记录及处理ModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments4.3试验结果分析通过以上试验得出：橡胶压缩阶段小变形时，其应力应变基本呈线性关系，可以描述为：E材料卸载后自然回弹的松弛过程，呈非线性形式，可以用二次多项式形式描述：2BAModernDesignandSimulationLabforOilandGasEquipments889.11＝1102.16883.922＝9.2862＝9757.871.66252＝10.6632＝2853.765.63532＝11.3751＝8796.41538.522＝11.8247＝5489.352.92932＝11.9052＝8145.148.13382＝