封隔器胶筒结构改进及有限元分析

橡胶材料在受力过程中常常产生很大的弹性变 形，属于高度非线 性 复 合 材 料，具 有 材 料 非 线 性、几
较大区别。封隔器是油田分层采油工艺中必不可少 何非线性、伸长率大和体积不可压缩等特点，在连续
的井下工具之一，它 已 被 广 泛 地 用 于 完 井、注 水、压 介质力学中用超弹性来表征这种材料特性。此时假
收 稿 日 期 ：２０１８－０２－２０
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内 蒙 古 石 油 化 工 ２０１８ 年 第 ２ 期
封隔器胶筒结构改进及有限元分析
蔡风涛，刘 迪，赵 帅，滕 强
（威海海洋职业学院，山东 荣成 ２６４３００）
摘 要 ：封 隔 器 密 封 失 效 主 要 由 胶 筒 损 坏 引 起 ，为 了 提 高 封 隔 器 胶 筒 的 密 封 性 能 ，减 小 肩 部 突 出 ，更 有效地满足生产需要，设计了新型封隔器胶 筒 结 构。 利 用 ＡＮＳＹＳ 软 件 对 常 规 和 新 型 封 隔 器 密 封 胶 筒 进行有限元分析计算，得到了胶筒的变形状况和接触应力沿胶筒轴向的分布情况 。结果表明，靠近加载 端的上胶筒所受接触应力最大，起主要密封作用；在相同条件下，对比两 种 结 构 封 隔 器 胶 筒 的 变 形 和 接 触 应 力 ，可 知 新 型 封 隔 器 胶 筒 与 套 管 的 最 大 接 触 应 力 较 大 ，接 触 长 度 较 长 ，且 肩 部 突 出 较 小 。 因 此 ，采 用 新型封隔器胶筒结构可以提高封隔器的密封性能。
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｇｒｅｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｌｉｔｈｏｌｏｇｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ． Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｈａｖｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｏａｌ，ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｂｕｒｉｅｄ ｄｅｐｔｈ ｈａｓ ａ ｃｌｏｓｅ ｒｅｌａ－ ｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｂｕｒｉａｌ ｄｅｐｔｈ；Ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｒ ｔｈｒｅａｔ－ ｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ＣＢＭ ｐｌｕｇｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓ，Ｔｈｒｕｓｔ ｆａｕｌｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｔｏ ｃｏａｌｂｅｄ ｇａｓ ｐｒｅｓｅｒｖａ－
ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏａｌｂｅｄ ｇａｓ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｓ ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｒａｐｓ ｉｎ Ｚｈｕｏｚｉｓｈａｎ
Ｃｏａｌｆｉｅｌｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｚｈｕｏｚｉｓｈａｎ Ｃｏａｌｆｉｅｌｄ；Ｃｏａｌｂｅｄ ｇａｓ；Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；
Байду номын сангаас
一个用格林硬度表示的应 变 能 函 数 Ｗ（Ｅｉｊ），该 函 数 是一个应变或变形 张 量 的 标 量 函 数，该 标 量 函 数 对
使胶筒和套管壁之 间 产 生 接 触 压 力，从 而 起 到 隔 绝 应变分量的导数就是相应的应力分量［５］，即有：
井液和压力、封隔产 层 以 及 防 止 层 间 流 体 和 压 力 互 相干扰等作用 。 ［１］ 封隔器胶筒失效主要是由于 井 下 温 度 高 、压 力 大 ，导 致 橡 胶 老 化 、撕 裂 ，因 此 密 封 胶 筒 的 质 量 和 结 构 直 接 决 定 了 封 隔 器 的 密 封 效 果 。 ［２～４］ 为 此 ，本 文 设 计 了 一 种 新 型 封 隔 器 胶 筒 结 构 ，并 且 利 用 ＡＮＳＹＳ软件分析了常规和新型封隔器胶筒的变 形以及胶筒与套管 之 间 的 接 触 应 力 变 化 规 律，为 优 化封隔器结构提供理论基础。 １ 超 弹 性 理 论
［Ｓ］＝［ＷＥ］
（１）
即超弹性材料的本构方程。
上式中：Ｓｉｊ，［Ｓ］—第 二 皮 奥 拉 － 克 希 霍 夫 应 力 张量；Ｗ—单 位 体 积 的 应 变 能 函 数；Ｅｉｊ，［Ｅ］—拉 格 朗日 应 变 张 量；Ｃｉｊ—右 柯 西 － 格 林 变 形 张 量；拉 格 朗日应变可以由下式表达：
［Ｅ］＝
裂、酸 化、防 砂、机 械 采 油、气 举 等 采 油 工 艺 技 术 中。 定材料应变能密度 是 应 变 张 量 的 非 线 性 函 数，存 在
当封隔器胶筒承受 轴 向 载 荷 时，产 生 轴 向 压 缩 和 径 向 膨 胀 ，以 此 来 填 满 油 管 和 套 管 之 间 的 环 形 空 间 ，并
［Ｃ２］－Ｉ（或
Ｅｉｊ＝
１ ２
（Ｃｉｊ－δｉｊ））
櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗 Ｃｏａｌｂｅｄ ｇａｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ Ｚｈｕｏｚｉｓｈａｎ Ｃｏａｌｆｉｅｌｄ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ ＦＥＮＧ Ｃｕｉ－ｒｏｎｇ，ＭＡ Ｈａｉ－ｊｕｎ
（Ｃｏａｌ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｕｒｅａｕ １５３ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｔｅａｍ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｒｅｇｉｏｎ Ｈｏｈｈｏｔ ０１００１０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ
关 键 词 ：封 隔 器 ；胶 筒 ；有 限 元 分 析 ；接 触 应 力 ；肩 突 中图分类号：ＴＥ９３１＋ ．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０１８）０２—００６４—０３
我 国 油 田 大 多 数 呈 多 油 层 、非 均 质 特 点 ，在 油 田 开 采 过 程 中 ，各 油 层 的 压 力 、产 量 及 吸 水 率 等 存 在 着