10封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析

收稿日期:2002-03-25

作者简介:季公明(1971-),男,山东聊城人,工程师,1993年毕业于石油大学(华东)自动化专业,现从事采油工艺研究工作。

文章编号:1001-3482(2002)05-0046-02

封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析

季公明1,周先军2,

厶

贝

平利2

(1.胜利油田有限公司采油工艺研究院,山东东营257000;2.石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061)

摘要:利用ANSYS 软件对封隔器胶筒的接触应力进行了数值模拟计算,通过计算分析得到了接触应力沿胶筒轴

向的分布情况。计算表明,此种封隔器可承受40MPa 的密封压差,接触应力的最大区域位于端部胶筒与中段工作胶筒的接触部位,高温持久试验也证明其可以满足工作要求。

关键词:封隔器;接触应力;有限元法。

中图分类号:TE9311203 文献标识码:A

Numerical simulated analysis of the contact stress on the sealing rubber of the packer

JI Gong -ming 1,Z HOU Xian -jun 2,YUN Ping -li 2

(1.Oil Extraction Technology Resea r ch I nstitute ,Shengli Oil Filed Corporation,Dongying 257000,China;

2.Mechatronic Engineering College,University o f Petroleum(H ua don g ),257061,China)

Abstract:The contact stress on the sealing rubber of the pac ker is calculated with ANSYS software in this paper.

Through analysis and calculation,the contac t stress distribution along the axis of the sealing rubber is found out.The ca-l culation indicates that this kind of packer can bear 40MPa pressure differential and the max contact stress lies in the con -tact position between the two end sealing rubbers and the middle one.In addition,the high temperature duration running proves that this kind of packer can meet the working conditions.Key words:packer;contact stress;finite -element method 封隔器是油田采油工艺中重要井下工具之一,它位于油管和套管之间。当封隔器胶筒承受轴向载荷时,封隔器胶筒将产生径向大变形,使胶筒与套管之间产生接触压力,藉此封隔环空,隔绝产层,以控制产(注)液,保护套管。因此,研究胶筒与套管内壁之间接触压力,这对研究封隔器胶筒的密封机理,研究轴向载荷、密封压力与接触压力之间的关系,优化高温封隔器的设计有重要的意义。因为封隔器胶筒属于大变形超弹问题,国内主要利用室内的模拟试验来研究,本文利用ANSYS 软件对高压封隔器胶筒与石油套管内壁接触压力大小和分布规律进行了计算研究。该软件由开始平台和处理器平台组成,软件分析工作可分成3个阶段,即,预处理阶段,定义求解所需的数据,用户可选择坐标系和单元类型,定义实常数和材料特性,生成实体模型并划分网络,控制节点和单元以及定义耦合和约束方程等;求解阶段,用于定义分析类型及选项、加载和求解;后处理阶段,在程序的这一部分,用户可很容易地获得求解

阶段的计算结果并对其进行运算,这些结果包括位移、应力、应变、温度和速度等,然后通过图形显示和数据列表输出评价分析结果。

1 基本理论与计算模型的建立

1.1 超弹基本理论

封隔器胶筒采用丁腈橡胶,泊松比为0.48,超弹材料,其弹性势能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,即[S ]=5W

5[E]

,式中,[S ]为第二皮奥

拉)克希霍夫应力张量;W 为单位体积的应变能函数;[E ]为拉格朗日应变张量,[E ]=([C]-I )/2,其中,I 为单位矩阵;[C ]为柯西)格林应变张量,[C]=[F]T

#[F ],其中,[F ]为变形梯度张量,[F ]=

5x

5X ,x 为变形后节点位置矢量;X 为初始节点位置矢量。2002年第31卷 石油矿场机械

第5期第46页 OIL FIELD EQUIPMENT 2002,31(5):46~47

根据应变不变量得Mooney )RivLin 应变能密度函数为

W =A 10(I 1-3)+A 01(I 2-3),

式中,A 10,A 01为材料常数,这2个参数需通过单轴拉

伸、单轴压缩和剪切试验测定数据并通过计算得到。1.2 计算模型

高压封隔器的几何模型如图1,由两端部胶筒和工作胶筒组成。胶筒与套管内壁的距离为5mm,H =146mm,套筒封隔器模型属于轴对称模型。封隔器胶筒材料为超弹材料橡胶,选用HYPE R56超弹单元;三段胶筒之间以及胶筒与套管之间考虑接触以及相互之间的摩擦,选用C ONTAC48接触单元;因材料参数原因,

计算时没有考虑温度问题。

图1 封隔器胶筒接触应力计算模型

1.3

载荷与约束

图2 封隔器坐封 胶筒位移量

根据封隔器的工作原理,第一步实现坐封,坐封力为7@103~11@103kg;第二步承受工作压差,设计要求能够承受40MPa 的密封压差。由于该封隔器采取了防突措施,因此,可认为不会产生肩突现象,两端部胶筒的y 向位移为零,工作载荷从上端施加。

2 计算结果分析

2.1 封隔器坐封

当施加10@103kg 的坐封力时,胶筒的位移变形如图2,由图可知,胶筒径向位移达5mm,与套管完全接触,实现坐封。

2.2 压差作用下的接触应力分布

该高压封隔器设计要求能够密封40MPa 的压差,载荷由胶筒上端面施加。以胶筒轴线为横坐标,

胶筒与套管的接触应力为纵坐标,胶筒下端为坐标

原点,得到其接触应力分布如图3。与未压缩前相比,胶筒轴向变形38mm,承压端胶筒的接触应力较大,最大应力A 点处为35MPa 。接触应力的最大区域位于端部胶筒与中段工作胶筒的接触部位,即图1中A 、B 点所处的区域。

图3 接触应力分布图

3 高温持久试验

试验时,将封隔器装入试验台套管内,利用液压推力器坐封封隔器,高压泵向密封腔内加高压液体,待压力达到设计要求后,停泵,接通电源,调节温控仪,加热密封腔内的高温油,待温度达到设计值时,继电器自动断开电源,试验装置保持温度。

封隔器的高温持久试验结果如图4,根据试验

结果可知此种封隔器可满足设计要求,但随着温度和压力的升高,长时间维持压力稳定存在一定困难。

图4 高温持久试验

4 结论

封隔器的数值模拟计算表明,可密封40MPa 的压差,接触应力的最大值区域位于端部胶筒与中段工作胶筒的接触部位,高温持久试验也表明此种封隔器可以达到设计要求。

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47#季公明,等:封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析