封隔器胶筒密封性能有限元分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
( 1. 冀东油田公司 a. 勘探开发工程监督中心 ; b. 高尚堡作业区 , 河北 唐海 063200; 2. 西南石油大 学 石油管力学和环境行为重点实验室 , 成都 610500)
摘要 : 封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能 , 且胶筒属于超弹性材料 , 在井下多种载荷作用 下, 其力学行为复杂 。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象 , 建立了封隔器密封元件的有限元 力学模型, 分析了加载方式、 摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响, 得出了接触应力沿 胶筒轴向的分布规律 , 研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业 。 关键词: 封隔器; 胶筒; 接触应力 ; 密封 ; 有限元分析 中图分类号 : T E931. 202 文献标识码 : A
Finite Element Analysis of Packer s Rubber Sealing Properties
L IU Yong hui , FU Zhan ho ng , L IN Yuan hua , BAI L iang qing , YANG Jing zhong 1a , WEI Zhi x ue1a , XU H ai tao 1b , MA H ai yun 1a
筒比较软 , 主要起密封作用 , 故也称作工作胶筒 ; 两 端的胶筒比较硬 , 主要起保护工作胶筒以防止肩部 ! 突出∀ 的作用 , 称作保 护胶筒。封隔 器中心管、 胶 筒、 套管以及所受的载荷均为轴对称分布。取过轴 线的剖面建立有限元计算模型 , 三胶筒组合简化的 计算模型如图 1。胶筒橡胶采用 M ooney Rivlin 模 型, 材料常数如表 1。
[ 1]
析 , 不能描述橡胶工作中的复杂力学行为。室内试 验也证实胶筒沿轴向的接触应力曲线是不规则的, 很难用一个公式描述清楚 [ 2 3] 。所以当前对密封元 件的研究主要集中在封隔器的井下工作性能分析、 室内试验以及数值模拟方面 。本文应用有限元 软件分析了各种因素对封隔器密封性能的影响, 得 出了影响胶筒工作性能的参数, 提出了改善胶筒密
1a 2 2 1a
Abstract: Sealing pr opert y of rubber direct ly restr ict its usabilit y. Rubber is a ty pe of super el as t ic mat erial. It s mechanics behavior is com plicat ion under m ulti st rain in dow n hole. T he paper takes the t riple rubber s assemblies packer fo r study and established f init e elem ent analysis mo del of it s packing elem ent t hr oug h finite element sof tw are and calculat ed t he ef f ect s of lo ading mode, frictio n facto r, rig idit y et c. t o rubber assemblies on sealing pr opert y and o bt ained dist ribut io n of cont act st ress along r ubber axial direct ion. Based on t hese, it can g uide designing o f rubbers as sem blies and borehole operation . Key words: packer; rubber; cont act st ress; sealing; finite element analysis 封隔器广泛应用于油气勘探和开发的各个生产 过程 。随着钻采工艺不断发展和油气开采工况日
筒弹性模量低, 相对较软 , 易压缩 , 所以首先和套管 内壁接触 , 当中间短胶筒和套管内壁接触后, 由于接 触压力的产生和摩擦因数的存在 , 使得加载端胶筒 所受到的轴向压缩小于非加载端胶筒; 故在中间胶 筒首先和套管接触后, 接着是加载端胶筒和套管接 触, 同样由于接触力和摩擦因数的原因 , 使得非加载 胶筒受到的压缩比上胶筒更大 ; 最后是上胶筒和套 管接触。当压缩完成以后, 3 个胶筒上的应 力分布 如图 4a 和图 4b。同理 , 如果封隔器是上、 下支撑环 同时加载 , 且载荷 相等, 3 个胶筒 上的应力分布 如 图 4c。
b 从上往下加载
图2
接触应力和压缩距的关系
c 图4
上 下同时加载 接触应力曲线
2. 2 摩擦因数的影响 由于井下情况复杂 , 套管壁上有泥饼、 岩屑等, 有时套管内壁有刮削、 磨损变形等因素, 所以胶筒和 套管之间的摩擦因数很难确定。基于这个情况, 有 必要分析摩擦因数对接触力的影响。
图3 轴向力和压缩距的关系
中间短胶筒 上 下长胶筒
弹性模量 E / M Pa 5. 30 9. 14
模型的几何及力学参数如表 2。边界条件是中 心管和套管上、 下端 y 方向固定, 由于套管 外有水 泥胶结, 所以在套管外侧的 x 方向固定, 上、 下支撑 环中的一个固定在另一个上加载。
∃ 40 ∃
石油矿场机械
2007 年 9 月
2
计算结果分析
Biblioteka Baidu
压缩式封隔器是通过压缩机构压缩胶筒 , 使之 膨胀改变密封环形间隙从而实现密封。根据它的工 作原理 , 这里重点分析橡胶材料的非线性特性和胶 筒与井壁之间的接触变形特点。选择适合于分析本 问题的有限元单元结构 , 编制有限元参数输入接口 程序; 对胶筒组合进行受力与变形分析; 分析其边界 约束条件以及接触形态 ; 计算封隔器胶筒与套管之 间的接触应力。最后通过分析计算结果得到各主要 因素对封隔器密封性能的影响。 2. 1 加载方式的影响 中心管和套管 上、 下端固 定, 套管 x 轴方向固 定 , 上支撑 环固定, 在下支撑环上加 载 ( 向上加 40 m m 位移, 胶筒外斜角 40#, 摩擦因数取 0. 6) 。 3 个 胶筒上的最大接触应力和压缩距的关系如图 2, 轴 向力和压缩距的关系如图 3, 初封后接触应力分布 规律如图 4a, 改变加载方式( 下支撑环固定, 在上支
计算条件是胶筒和隔环、 中心管的摩擦因数固 定为 0. 1, 从上往下加载 40 m m, 分析胶筒和套管之 间的摩擦因数为 0. 1~ 0. 7 时, 胶筒组合中各个胶筒 上的最大接触应力的变化, 如图 5。
a
从下往上加载
图5
最大接触应力和摩擦因数的关系
第 36 卷
第9期
刘永辉 , 等 : 封隔器胶筒密封 性能有限元分析
在有限元分析中, 橡胶使用超单元 H YP ER74, 套管、 中心管及隔 环等用平面单 元 PL ANE42。封 隔器工作时存在摩擦接触问题, 其中胶筒和套管之 间建立点 面接触 , 接触面用 CONT A175 接触单元, 目标面用 T ARGE169 接触 单元; 胶筒与隔 环以及 中心管之间用面 面接触, 分别使用 CONT A172 和 T ARGE169 接触单元 ; 在隔环与中心管之间始终保 持相对距离 , 所以不考虑使用接触。
∃ 39 ∃
封性能的措施。
1
1. 1
基本理论和计算模型
超弹性理论 封隔器的核心元件为胶筒 , 其材料属橡胶类, 属
力学参数 弹性模量 泊松比 E / M Pa 206 000 0. 25 206 000 206 000 9. 14 5. 3 0. 25 0. 25 0. 49 0. 49
高度非线性复合材料。在连续介质力学中将橡胶材 料称作超弹性材料 , 存在一个用格林硬度表示的应 变能函数 W ( E ij ) , 该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[ 5] 。 随着封隔器胶筒的橡胶材料不断推新, 各种橡 胶的成份千差万别 , 所以通常在公开文献上查不到 超弹性材料常数 , 需要用单轴拉伸、 等双轴拉伸、 剪 切试验得到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲 线拟合, 进而选择合适的超弹性材料模型。 1. 2 计算模型的建立 压缩式密封元件以三胶筒组合居多 , 中间的胶
第 36 卷
第9期
刘永辉 , 等 : 封隔器胶筒密封 性能有限元分析 表2 封隔器 结构名称 中心管 套 管 支撑环 长胶筒 短胶筒 内径 d i / mm 50. 0 121. 4 80 80 80 计算模型的几何和力学参数 几何参数 外径 d o / mm 80. 0 139. 7 114. 0 114. 0 114. 0 高度 h / mm 15 70 60
图1 表1 胶 筒
胶筒 中心管和套管结构 封隔器胶筒材料常数 超弹性材料 常数 / C10 0. 588 89 1. 015 55 超弹性材料 常数 / C01 0. 294 44 0. 507 78
撑环上加载 ) , 初封后的接触应力分布规律如图 4b。 由图 2 可以看出, 在压缩距为 30 mm 时下胶筒 和中胶筒的最大接触应力几乎相同 , 在压缩距 > 30 m m 后 , 中间胶筒的最大接触应力增长缓慢, 下胶筒 的最大接触应力增长迅速。对比图 4a 和图 4b 可以 看出, 加载方式的改变使上、 中、 下 3 个胶筒上的应 力分布有所不同, 但是也有共同点, 即处于加载端胶 筒上的应力最大, 其次是中间胶筒, 最小接触应力在 非加载端的胶筒上。产生这种现象的原因是随着压 缩的进行, 由于中间胶筒 ( 即工作胶筒 ) 比两端的胶
2007 年 第 36 卷 第 9 期 第 38 页
OIL
石油矿场机械 FIELD EQUIPMENT
2007 , 36( 9) : 38~ 41
文章编号 : 1001 3482( 2007) 09 0038 04
封隔器胶筒密封性能有限元分析
刘永辉1a , 付建红2 , 林元华2 , 白亮清1a , 杨景中1a , 魏志学1a , 徐海涛1b , 马海云1a
∃ 41 ∃
由图 5 可以看出 , 下胶筒的最大接触应力随摩 擦因数的增大而减小; 中胶筒的最大接触应力随摩 擦因数的增大而缓慢增加; 上胶筒的最大接触应力 在摩擦因数 < 0. 4 时随摩擦因数的增大缓慢增加 , 当摩擦因数> 0. 5 以后 , 接触应力增加迅速 , 当摩擦 因数 < 0. 4 时 , 上胶筒的最大接触应力小于中胶筒 的最大接触应力 , 当摩擦因数 > 0. 5 时 , 上 胶筒的 最大接触应力才明显大于中胶筒的最大接触应力。 因此 , 当压缩距一定时, 胶筒和套管之间的摩擦因数
( 1. a. Ex p lor ator y D evelop ment Engineer ing S up erv ision Center ; b. Gaoshangp u Op er ation Zone, J id ong Oilf ield Comp any , T anghai 063200, China; 2 . T he K ey L abo rator y f or M echanical and E nv ironmental Behavior of T ubular Good s , S W P U, Chengdu 610500 , China )
基金项目 : 四川省杰出青年学科带头人培 养基金( 06ZQ 026 028) ; 石油科技中青年创新基金 ( 05E7044) 作者简介 : 刘永辉 ( 1977 ) , 男 , 河北定州人 , 硕士 , 2006 年毕 业于西南 石油大 学油气 井专业 , 现主 要从事 钻井工 程方面 的 研究工作 , E ma il: ly hm115@ 163. com 。
[ 2 4]
趋复杂, 对封隔器 的工作性能提出 了更高的要求。 因而 , 深入研究封隔器的关键元件 胶筒的密封 性能是提高封隔器 工作性能的关 键。由于密 封元 件 胶筒属非线性材料 , 其理 论研究较 难, 文 献 [ 1] 中求胶筒初封应力的理论公式主要用于定性分
收稿日期 : 2007 03 08
摘要 : 封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能 , 且胶筒属于超弹性材料 , 在井下多种载荷作用 下, 其力学行为复杂 。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象 , 建立了封隔器密封元件的有限元 力学模型, 分析了加载方式、 摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响, 得出了接触应力沿 胶筒轴向的分布规律 , 研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业 。 关键词: 封隔器; 胶筒; 接触应力 ; 密封 ; 有限元分析 中图分类号 : T E931. 202 文献标识码 : A
Finite Element Analysis of Packer s Rubber Sealing Properties
L IU Yong hui , FU Zhan ho ng , L IN Yuan hua , BAI L iang qing , YANG Jing zhong 1a , WEI Zhi x ue1a , XU H ai tao 1b , MA H ai yun 1a
筒比较软 , 主要起密封作用 , 故也称作工作胶筒 ; 两 端的胶筒比较硬 , 主要起保护工作胶筒以防止肩部 ! 突出∀ 的作用 , 称作保 护胶筒。封隔 器中心管、 胶 筒、 套管以及所受的载荷均为轴对称分布。取过轴 线的剖面建立有限元计算模型 , 三胶筒组合简化的 计算模型如图 1。胶筒橡胶采用 M ooney Rivlin 模 型, 材料常数如表 1。
[ 1]
析 , 不能描述橡胶工作中的复杂力学行为。室内试 验也证实胶筒沿轴向的接触应力曲线是不规则的, 很难用一个公式描述清楚 [ 2 3] 。所以当前对密封元 件的研究主要集中在封隔器的井下工作性能分析、 室内试验以及数值模拟方面 。本文应用有限元 软件分析了各种因素对封隔器密封性能的影响, 得 出了影响胶筒工作性能的参数, 提出了改善胶筒密
1a 2 2 1a
Abstract: Sealing pr opert y of rubber direct ly restr ict its usabilit y. Rubber is a ty pe of super el as t ic mat erial. It s mechanics behavior is com plicat ion under m ulti st rain in dow n hole. T he paper takes the t riple rubber s assemblies packer fo r study and established f init e elem ent analysis mo del of it s packing elem ent t hr oug h finite element sof tw are and calculat ed t he ef f ect s of lo ading mode, frictio n facto r, rig idit y et c. t o rubber assemblies on sealing pr opert y and o bt ained dist ribut io n of cont act st ress along r ubber axial direct ion. Based on t hese, it can g uide designing o f rubbers as sem blies and borehole operation . Key words: packer; rubber; cont act st ress; sealing; finite element analysis 封隔器广泛应用于油气勘探和开发的各个生产 过程 。随着钻采工艺不断发展和油气开采工况日
筒弹性模量低, 相对较软 , 易压缩 , 所以首先和套管 内壁接触 , 当中间短胶筒和套管内壁接触后, 由于接 触压力的产生和摩擦因数的存在 , 使得加载端胶筒 所受到的轴向压缩小于非加载端胶筒; 故在中间胶 筒首先和套管接触后, 接着是加载端胶筒和套管接 触, 同样由于接触力和摩擦因数的原因 , 使得非加载 胶筒受到的压缩比上胶筒更大 ; 最后是上胶筒和套 管接触。当压缩完成以后, 3 个胶筒上的应 力分布 如图 4a 和图 4b。同理 , 如果封隔器是上、 下支撑环 同时加载 , 且载荷 相等, 3 个胶筒 上的应力分布 如 图 4c。
b 从上往下加载
图2
接触应力和压缩距的关系
c 图4
上 下同时加载 接触应力曲线
2. 2 摩擦因数的影响 由于井下情况复杂 , 套管壁上有泥饼、 岩屑等, 有时套管内壁有刮削、 磨损变形等因素, 所以胶筒和 套管之间的摩擦因数很难确定。基于这个情况, 有 必要分析摩擦因数对接触力的影响。
图3 轴向力和压缩距的关系
中间短胶筒 上 下长胶筒
弹性模量 E / M Pa 5. 30 9. 14
模型的几何及力学参数如表 2。边界条件是中 心管和套管上、 下端 y 方向固定, 由于套管 外有水 泥胶结, 所以在套管外侧的 x 方向固定, 上、 下支撑 环中的一个固定在另一个上加载。
∃ 40 ∃
石油矿场机械
2007 年 9 月
2
计算结果分析
Biblioteka Baidu
压缩式封隔器是通过压缩机构压缩胶筒 , 使之 膨胀改变密封环形间隙从而实现密封。根据它的工 作原理 , 这里重点分析橡胶材料的非线性特性和胶 筒与井壁之间的接触变形特点。选择适合于分析本 问题的有限元单元结构 , 编制有限元参数输入接口 程序; 对胶筒组合进行受力与变形分析; 分析其边界 约束条件以及接触形态 ; 计算封隔器胶筒与套管之 间的接触应力。最后通过分析计算结果得到各主要 因素对封隔器密封性能的影响。 2. 1 加载方式的影响 中心管和套管 上、 下端固 定, 套管 x 轴方向固 定 , 上支撑 环固定, 在下支撑环上加 载 ( 向上加 40 m m 位移, 胶筒外斜角 40#, 摩擦因数取 0. 6) 。 3 个 胶筒上的最大接触应力和压缩距的关系如图 2, 轴 向力和压缩距的关系如图 3, 初封后接触应力分布 规律如图 4a, 改变加载方式( 下支撑环固定, 在上支
计算条件是胶筒和隔环、 中心管的摩擦因数固 定为 0. 1, 从上往下加载 40 m m, 分析胶筒和套管之 间的摩擦因数为 0. 1~ 0. 7 时, 胶筒组合中各个胶筒 上的最大接触应力的变化, 如图 5。
a
从下往上加载
图5
最大接触应力和摩擦因数的关系
第 36 卷
第9期
刘永辉 , 等 : 封隔器胶筒密封 性能有限元分析
在有限元分析中, 橡胶使用超单元 H YP ER74, 套管、 中心管及隔 环等用平面单 元 PL ANE42。封 隔器工作时存在摩擦接触问题, 其中胶筒和套管之 间建立点 面接触 , 接触面用 CONT A175 接触单元, 目标面用 T ARGE169 接触 单元; 胶筒与隔 环以及 中心管之间用面 面接触, 分别使用 CONT A172 和 T ARGE169 接触单元 ; 在隔环与中心管之间始终保 持相对距离 , 所以不考虑使用接触。
∃ 39 ∃
封性能的措施。
1
1. 1
基本理论和计算模型
超弹性理论 封隔器的核心元件为胶筒 , 其材料属橡胶类, 属
力学参数 弹性模量 泊松比 E / M Pa 206 000 0. 25 206 000 206 000 9. 14 5. 3 0. 25 0. 25 0. 49 0. 49
高度非线性复合材料。在连续介质力学中将橡胶材 料称作超弹性材料 , 存在一个用格林硬度表示的应 变能函数 W ( E ij ) , 该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[ 5] 。 随着封隔器胶筒的橡胶材料不断推新, 各种橡 胶的成份千差万别 , 所以通常在公开文献上查不到 超弹性材料常数 , 需要用单轴拉伸、 等双轴拉伸、 剪 切试验得到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲 线拟合, 进而选择合适的超弹性材料模型。 1. 2 计算模型的建立 压缩式密封元件以三胶筒组合居多 , 中间的胶
第 36 卷
第9期
刘永辉 , 等 : 封隔器胶筒密封 性能有限元分析 表2 封隔器 结构名称 中心管 套 管 支撑环 长胶筒 短胶筒 内径 d i / mm 50. 0 121. 4 80 80 80 计算模型的几何和力学参数 几何参数 外径 d o / mm 80. 0 139. 7 114. 0 114. 0 114. 0 高度 h / mm 15 70 60
图1 表1 胶 筒
胶筒 中心管和套管结构 封隔器胶筒材料常数 超弹性材料 常数 / C10 0. 588 89 1. 015 55 超弹性材料 常数 / C01 0. 294 44 0. 507 78
撑环上加载 ) , 初封后的接触应力分布规律如图 4b。 由图 2 可以看出, 在压缩距为 30 mm 时下胶筒 和中胶筒的最大接触应力几乎相同 , 在压缩距 > 30 m m 后 , 中间胶筒的最大接触应力增长缓慢, 下胶筒 的最大接触应力增长迅速。对比图 4a 和图 4b 可以 看出, 加载方式的改变使上、 中、 下 3 个胶筒上的应 力分布有所不同, 但是也有共同点, 即处于加载端胶 筒上的应力最大, 其次是中间胶筒, 最小接触应力在 非加载端的胶筒上。产生这种现象的原因是随着压 缩的进行, 由于中间胶筒 ( 即工作胶筒 ) 比两端的胶
2007 年 第 36 卷 第 9 期 第 38 页
OIL
石油矿场机械 FIELD EQUIPMENT
2007 , 36( 9) : 38~ 41
文章编号 : 1001 3482( 2007) 09 0038 04
封隔器胶筒密封性能有限元分析
刘永辉1a , 付建红2 , 林元华2 , 白亮清1a , 杨景中1a , 魏志学1a , 徐海涛1b , 马海云1a
∃ 41 ∃
由图 5 可以看出 , 下胶筒的最大接触应力随摩 擦因数的增大而减小; 中胶筒的最大接触应力随摩 擦因数的增大而缓慢增加; 上胶筒的最大接触应力 在摩擦因数 < 0. 4 时随摩擦因数的增大缓慢增加 , 当摩擦因数> 0. 5 以后 , 接触应力增加迅速 , 当摩擦 因数 < 0. 4 时 , 上胶筒的最大接触应力小于中胶筒 的最大接触应力 , 当摩擦因数 > 0. 5 时 , 上 胶筒的 最大接触应力才明显大于中胶筒的最大接触应力。 因此 , 当压缩距一定时, 胶筒和套管之间的摩擦因数
( 1. a. Ex p lor ator y D evelop ment Engineer ing S up erv ision Center ; b. Gaoshangp u Op er ation Zone, J id ong Oilf ield Comp any , T anghai 063200, China; 2 . T he K ey L abo rator y f or M echanical and E nv ironmental Behavior of T ubular Good s , S W P U, Chengdu 610500 , China )
基金项目 : 四川省杰出青年学科带头人培 养基金( 06ZQ 026 028) ; 石油科技中青年创新基金 ( 05E7044) 作者简介 : 刘永辉 ( 1977 ) , 男 , 河北定州人 , 硕士 , 2006 年毕 业于西南 石油大 学油气 井专业 , 现主 要从事 钻井工 程方面 的 研究工作 , E ma il: ly hm115@ 163. com 。
[ 2 4]
趋复杂, 对封隔器 的工作性能提出 了更高的要求。 因而 , 深入研究封隔器的关键元件 胶筒的密封 性能是提高封隔器 工作性能的关 键。由于密 封元 件 胶筒属非线性材料 , 其理 论研究较 难, 文 献 [ 1] 中求胶筒初封应力的理论公式主要用于定性分
收稿日期 : 2007 03 08