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