封隔器胶筒肩部的力学分析

封隔器胶筒肩部的力学分析
徐小晨;张公社
【摘要】为了适应老油田精细分层注水需求,应加强现有封隔器结构设计的合理性。

针对扩张式封隔器的胶筒长度比较长,扩张时各部分扩张不均匀,肩部容易破坏的问
题进行了研究。

根据扩张式注水封隔器坐封原理,采用了有限元的方法,以业内具有
较高认可度ANSYS Workbench15.0有限元软件,对一种具有10 mm补偿结构的
K334-112封隔器进行了力学分析。

对输出结果分析表明,胶筒在各个部分的受力
情况和位移状态都是不均匀的,应力集中始终出现在胶筒肩部,在设计胶筒时如果能
改善应力集中部分的性能,将使得封隔器的设计更加合理。

这样运用有限元的方法
分析优化封隔器的结构与传统的使用实验的方法相比,更能适应现在高速发展的机
械结构研究邻域,使得封隔器制造商能有更高的行业竞争力。

【期刊名称】《能源与环保》
【年(卷),期】2017(039)009
【总页数】5页(P150-153,159)
【关键词】精细分层注水扩张式封隔器长胶筒 ANSYS Workbench15.0 应力应
变
【作者】徐小晨;张公社
【作者单位】长江大学石油工程学院,湖北武汉430100
【正文语种】中文
【中图分类】TE931
Abstract:In order to meet the needs of the fine oil injection in the old oilfield，it was necessary to strengthen the rationality of the existing packer structure design．The length of the drum was longer for the expansion packer，and the expansion was uneven and the shoulder was easy to destroy．According to the principle of the expansion of the water injection packer，the finite element method was adopted，and the K334-112 packer with 10 mm compensation structure was carried out with ANSYS Workbench15．0 finite element software to carry on mechanical analysis．The analysis of the results of the output showed that the force and displacement states of the plastic cylinders were uneven in all parts，and the stress was always concentrated on the shoulder of the cylinder．If the performance of the stress concentration part can be improved when the cylinder is designed，the design of the packer was more reasonable．This method of using finite element method to optimize the structure of the packer compared with the traditional method of using the experiment will be more adaptable to the now high-speed development of the mechanical structure of the neighborhood，to make the packer manufacturers have a higher industry competition force．
Keywords:fine layered water injection;expansion packer;long plastic tube;ANSYS Workbench15．0;stress-strain
为了提高封隔器结构设计和参数优化的工作效率和减少相应的设计成本，国内外研究人员已经把有限元分析法当成一种主要手段，M．S．M．Al-Kharusi等［1］通过ABAQUS建立了封隔器在坐封后胶筒两端存在液力压力的有限元模型，郭志平等［2］通过ANSYS软件析对封隔器胶筒和外层套管内壁之间的接触情况进行
分析发现，接触应力的大小直接影响到封隔器的密封效果，程心平［3］为了研制出适合海上大排量反洗井的要求，通过ANSYS软件分析得到封隔器胶筒橡胶的应力—应变关系呈非线性。

随着温度的升高，橡胶材料强度会变弱，在温度为65℃
时橡胶材料强度达到最低，继续升高温度，橡胶材料强度又会增加。

张阳波等［4］通过ANSYS软件建立了封隔器有限元优化数学模型，采用函数逼近的优化方法对胶筒长度为720 mm的封隔器进行结构优化分析并得到了最优设计。

参照该封隔器的结构图纸完成对此封隔器几何模型的建立，然后将封隔器的几何模型导入Ansys workbench15．0中，按照封隔器各部分的实际情况进行网格划分、接触分析、边界条件的设定，最终完成对工况的模拟。

原有的分层注水工艺很大程度上已经无法满足层内薄差油层精细分层注水需求，其原因主要是原分层注水封隔器胶筒长度过小，一般小于0．3 m［5］，当厚度较
大的油层内夹着厚度为0．5～1．0 m的薄油层的时候，由于管柱伸长量、磁定
位误差的影响，封隔器胶筒对油层进行有效的分层卡封，最终导致此较大厚层内2个分层发生窜层［6-8］，为了解决这个问题部分老油田开始使用长胶筒封隔器，本次主要就是研究长胶筒的封隔器。

为了较准确使用有限元软件对封隔器进行研究，需要精析封隔器的结构和理解其工作原理。

本文主要对现在油田后期开发中使用较为广泛的K344-112型扩张式封
隔器进行其胶筒的应力、应变分析研究，此次所研究封隔器胶筒长度的为720 mm。

由于胶筒长度过长，则胶筒在加工时需要预留10 mm的补偿，封隔器的基本结构如图1所示。

坐封时，流体通过中心管上面的传液孔进入胶筒与中心管间的环形密封腔，当油套压差大于0.5 MPa时，胶筒开始坐封;此过程中下挡碗受到流体的压力推动胶筒上移。

解封时，当油套压力平衡时，封隔器即可解封。

本次采用的封隔器在坐封过程中简化为承受3个方面的作用力:胶筒与中心管的环
空压力Pc、胶筒下端受到挡碗的作用力Pc、胶筒与套管的环空静液柱压力P1。

其中胶筒下端的作用力是由于封隔器补偿结构的原因，当油管内流体由传压孔进入环形密封腔同时作用于挡碗结构，推动挡碗向上移动，作用力大小等于油管内压力，因为本次研究的重点在于胶筒的部分，为了减少最终软件对于有限元模型的求解时间，对胶筒的受力分析进行简化(图2)。

研究所用的封隔器是K344-112，查找结构说明和材料说明发现该封隔器主要由2种材料组成，胶筒用到的是氢化丁腈橡胶，属于超弹性体几乎不可压缩(只有少量
的体积变化)［9］，其余的部件用到是泊松比为0.2、弹性模量为2.01×105MPa
的新钢材。

通过调研材料本构模型的相关文献［10-14］，发现其中的Mooney-Rivlin和Yeoh两种模型在封隔器胶筒有限元分析领域有着较为广泛的应用。

黄建龙等
［15-17］人在研究同一种橡胶材料时分别采用Mooney-Rivlin和Yeoh两种模
型进行了有限元分析研究，得到的橡胶材料在两种模型下的应力、位移云图，对比分析后发现了Mooney-Rivlin模型适用于对橡胶中小变形情况，Yeoh模型则是
适用于分析大变形行为。

而此次研究的长胶筒属于中小变形情况，因此封隔器胶筒橡胶材料的本构方程决定选用Mooney-Rivlin 模型［18］，根据经验式(1)、式(3)计算出本构方程关键参数C01和C10。

式中，Hr为邵氏硬度;E为杨氏模量;C10、C01为关键参数;胶筒采用氢化丁腈橡胶，邵氏硬度90，杨氏模量17.33。

通过计算得出C10=1.925 56，C01=0.962 78。

在Workbench15.0中的Engineering Date中对材料参数进行设置，C10=1.925 56，C01=0.962 78，由于此次模拟的氢化丁腈橡胶属于超弹性体，几乎不可压缩，所以将Incompressbility Parameter D1设置为0，然后得到了如图3所示封隔
器橡胶材料的应力—应变曲线。

此次研究用K344-122扩张式封隔器，如图4所示，在CAD中建立几何模型并导入Workbench15.0的Geometry中，使用有限元对工况进行模拟的时候，因为
模型的结构较为复杂，接触问题变得较难分析，而本次研究的是橡胶材料，它属于接触问题中的材料非线性问题，这就增加了模拟的难度。

为了解决这些问题，查找文献书籍发现，对几何模型进行合理的网格划分，在一定程度上能够改善计算的收敛性，使计算结果更加精确［19-21］。

MESH中对胶筒网格划分结果如图5所示，由于实际生产中胶筒的肩部受力集中，要进行此处网格的加密，设定肩部边的网格尺寸为0.002 m，胶筒中部也与外面
的套管接触，将会产生接触应力，设定胶筒中部网格尺寸为0.003 m，胶筒其他
部分采用网格自动划分;坐封过程中会使得挡碗内表面与胶筒发生接触，设定挡碗
内表面网格尺寸为0.003 m，挡碗的其他部分可以采用网格自动划分;由于套管在
本次研究中并不考虑其受力分析，设定套管的网格尺寸为0.005 m。

坐封压差为0.9 MPa时内外两层胶筒的应力场分布情况如图6所示，由图6可知，各层胶筒中间段中间较大部分的应力分布比较均匀，主要在两层的胶筒肩部较小区域出现应力梯度较大的情况。

如图7所示，坐封压差为0.5 MPa时胶筒的位移形变主要集中在胶筒的下端肩部，最大的位移形变为11.079 mm，胶筒上部位移形变很少，并没有完全的坐封。

当坐封压差达到0.9 MPa时，胶筒上下肩部及中筒的位移形变都超过了14 mm，封隔器完全坐封，由于此次研究并没有考虑胶筒和套管的接触胶筒肩部在达到位移形变14 mm的最大实际位移后仍会继续位移，最大位移达到15.525 mm，这些都
说明胶筒的应力集中出现在胶筒的肩部。

对比胶筒各个部分的位移量不难发现，如果没有套管的遮挡胶筒最终在各部分胀开程度并不均匀。

胶筒的长度过长和封隔器的补偿结构是造成这种现象的主要原因，而为了适应封隔器的组装和井下的分层需要这种结构又是必不可少的。

(1)使用ANSYS软件分析结构模型能够直观地观察受力情况和位移情况，而且随时可以改变材料参数和边界条件，能够做到在模拟不同的工况时，快速有效地观察现象、对面彼此之间不同的结果、分析结果、解决问题，极大提高了工作效率，缩短了封隔器的设计周期，降低了封隔器的设计成本。

(2)由于胶筒各个部分的受力不均匀，如果对胶筒进行统一的划分并不能得到理想的求解，对于肩部进行网格加密，合理的网格划分，在一定程度上有助于收敛，使结果更加精确。

(3)封隔器在坐封的过程中，封隔器肩部变形最大，应力也是集中在肩部;中间较大部分的应力分布比较均匀，伴随着压力的增加，变形的趋势减缓。

如果在胶筒的加工过程中能够在胶筒不同的部分使用强度不同的材料来适应这种受力不均匀，封隔器的设计将更加合理。

【相关文献】
［1］ M S．M．Al-Kharusi．，S Z．Qamar．Non-linear model for evaluation of elastomer seals subjected to differential pressure［J］．Society of Petroleum Engineers，2011．［2］郭志平，李冠孚，王燕飞，等．基于ANSYS的封隔器接触应力分析及结构优化［J］．机械设计与制造，2012(10):268-270．Guo Zhiping，Li Guanfu，Wang Yanfei，et al．Analysis of contact stress and structure optimization of packer based on ANSYS［J］．Mechanical Design and Manufacture，2012(10):268-270．
［3］程心平．扩张式封隔器胶筒力学性能分析［J］．石油机械，2014(6):72-76．Cheng Xinping．Study on mechanical properties of expanded packer rubber cylinder ［J］．Petroleum Machinery，2014(6):72-76．
［4］张阳波，欧阳云丽，周世忠，等．封隔器力学分析与优化设计研究［J］．当代化工，2016(4):763-765，769．Zhang Yangbo，Ouyang Yunli，Zhou Shizhong，et al．Mechanical analysis and optimization design of packer［J］．Contemporary Chemical Industry，2016(4):763-765，769．
［5］《油田用封隔器及井下工具手册》编写组．油田用封隔器及井下工具手册［M］．北京:石油工业出版社，1981．
［6］董琦．长胶筒封堵技术在油田开发中应用探讨［J］．化学工程与装备，2014(4):97-
100．Dong Qi．Application of long rubber tube sealing technology in oilfield development［J］．Chemical Engineering and Equipment，2014(4):97-100．
［7］宋纯安．细分层注水井封隔器位移磁定位测井误差分析与控制［J］．价值工程，
2014(5):54-55．Song Chun'an．Analysis and control of displacement magnetic positioning logging error of segmental filling boxer［J］．Value Engineering，2014(5):54-55．
［8］孙兴．薄隔层薄夹层细分注水技术在欢西油田的应用［J］．中国石油和化工标准与质量，2013(9):144．Sun Xing．Application of thin-layer thin-layer subdivision water injection technology in Huanxi oil field［J］．China Petroleum and Chemical Industry Standard and Quality，2013(9):144．
［9］李树虎，贾华敏，李茂东，等．超弹性体本构模型的理论和特种试验方法［J］．弹性体，2011(1):58-64．Li Shuhu，Jia Huamin，Li Maodong，et al．Theoretical and special test methods for constitutive model of superelastic materials［J］．E-lastomers，2011(1):58-64．
［10］ Mooney M．J．A theory of large elastic deformation［J］．Journal of Applied Physics，1940，11(6):582-592．
［11］ Rivlin R．S．，Large elastic deformations of isotropic materials［M］．1948:491-510．
［12］ Treloar L．R．G．The elasticity of a network of longchain molecules(Ⅲ)［J］．Transactions of the Faraday Society，1946，42(1):83-93．
［13］ Blatz P．J．，Ko W．L．Application of finite elastic theory to the deformation of rubber materials［J］．Transaction of the Society of Rheology，1962，6(2):223-251．［14］ Gent A．N．A new constitutive relation for rubber［J］．Rubber Chemistry and Technology，1996，69(1):59-61．
［15］朱艳峰，刘锋，黄小清，等．橡胶材料的本构模型［J］．橡胶工业，2006，53(2):119-125．Zhu Yanfeng，Liu Feng，Huang Xiaoqing，et al．Constitutive model of rubber materials［J］．Rubber Industry，2006，53(2):119-125．
［16］黄建龙，解广娟，刘正伟．基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析［J］．橡胶工业，2008(8):467-471．Huang Jianlong，Xie Guangjuan，Liu Zhengwei．Finite element analysis of superelastic rubber materials based on Mooney-Rivlin model and Yeoh model［J］．Rubber Industry，2008(8):467-471．．
［17］郑明军，王文静，陈政南，等．橡胶Mooney-Rivlin模型力学性能常数的确定［J］．橡
胶工业，2003(8):462-465．Zheng Mingjun，Wang Wenjing，Chen Zhengnan，et al．Determination of mechanical properties constants of rubber Mooney-Rivlin model ［J］．Rubber Industry，2003(8):462-465．
［18］刘永辉．封隔器胶筒性能有限元分析及结构改进［D］．南充:西南石油大学，2006．［19］曾攀，雷丽萍，方刚．基于ANSYS平台有限元分析手册——结构的建模与分析［M］．北京:机械
工业出版社，2011．
［20］刘涛，杨凤鹏．精通ANSYS［M］．北京:清华大学出版社，2002．
［21］孙永刚，雷刚．基于结构优化理论的现代CAE技术［J］．重庆理工大学学报(自然科学版)，2007，21(9):77-82．Sun Yonggang，Lei Gang．CAE technology based on structural optimization theory［J］．Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science Edition)，2007，21(9):77-82．。