新型防突裝置對封隔器膠簡力學性能影響研究
王國榮，伍偉，李明，胡剛，張敏
（西南石油大學機電工程學院，四川成都610500）
摘要：為了進一步保證封隔器安全坐封，提高封隔器膠筒的力學性能，基于現(xiàn)有成熟技術，設計了一種新型防突裝置，分析了不同防突裝置材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對封隔器膠筒肩部突出、接觸應力、Von Mises應力的影響。結(jié)果表明：新型封隔器肩部突出距離相比常規(guī)封隔器降低了63. 35%，使膠筒不易被破壞，延長了膠筒的壽命；對防突裝置材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)選，選擇材料為鋁合金，距膠筒端面距離H=2. 5mm，厚度B=0.5mm的新型防突裝置；新型防突裝置的設計與應用為封隔器坐封提供了安全保障。
關鍵詞：封隔器膠筒；防突裝置；力學性能；優(yōu)化設計
0 引言
壓縮式封隔器是油氣開采必不可少的井下工具之一，主要依靠膠筒在軸向載荷下，發(fā)生徑向膨脹，使膠筒與套管相互作用產(chǎn)生足夠大的接觸應力，密封油套環(huán)空，從而達到封隔產(chǎn)層以及防止層間流體和壓力相互擾動等作用。坐封載荷是保證膠筒接觸應力的前提，達不到必要的接觸應力則封隔器密封失效，但坐封載荷過大時，膠筒外壁與隔環(huán)接觸處會產(chǎn)生“肩突”現(xiàn)象，膠簡易被撕裂損壞，影響封隔器的密封性能。為此，采用合理的防突裝置可以保證膠筒的有效密封。
近年來，國內(nèi)學者對封隔器防突裝置進行了一系列研究，侯宗等人設計了用于分注封隔器，由膨脹環(huán)與楔形圈組成的獨立式膨脹環(huán)新型“防突”結(jié)構(gòu)；劉化國等人提出了封隔器膠筒“完全防突”的設計理論，并做了對比試驗和分析；楊志鵬等人提出整體傘形保護環(huán)防突裝置，分析了傘形保護環(huán)對膠筒突出變形的影響；由于他們主要集中在對結(jié)構(gòu)的改進，而對于材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響研究相對較少，而且這些防突裝置均置于膠筒外部，在實際生產(chǎn)過程中，受環(huán)空砂礫等雜質(zhì)影響易失效，降低了防突裝置的使用效果。
為了進一步提高防突裝置的實用性和準確性，本文改進設計出一種硫化在膠筒內(nèi)部的新型防突裝置，建立了封隔器軸對稱二維數(shù)值模型，分析了防突裝置材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對封隔器膠筒力學性能的影響，并對防突裝置進行優(yōu)選。新型防突裝置抑制膠筒肩部突出變形，提高了膠筒的力學性能，為封隔器的坐封提供了安全保障。
1 橡膠本構(gòu)理論
膠筒作為封隔器的核心元件，由橡膠材料制成，在外力作用下發(fā)生變形。描述橡膠材料的本構(gòu)模型主要有Gent模型、Yeoh模型、Mooney - Rivlin模型等，Cent模型能夠擬合橡膠材料大變形時硬化的應變能，而對小應變和中等應變并不適用；Yeoh模型在大變形條件下計算出的應變能與試驗結(jié)果吻合良好，但變形較小時應盡量避免使用；Mooney - Rivlin模型可較好擬合橡膠材料中等變形時的應變能，因此本文采用模擬膠筒中等變形的Mooney - Rivlin模型，其應變能函數(shù)表達式為：
其中，I1、I2、I3為變形張量不變量，其表達式如下：
式中：A．為主伸長比。
對于不可壓縮材料，I3=1，則方程(1)簡化為
若保留前兩項時，則方程便與1940年Mooney[1l]提出的模型一樣：
式中：C．。，C。，為Mooney - Rivlin模型材料參數(shù)。
由應變能函數(shù)模型W通過應力推導出Kirchhoff應力張量和Green應力張量間的關系：
式中：t”為Kirchhoff應力張量，yⅡ為Green應力張量。
根據(jù)式(2)和式(5)得出主應力t．和主拉伸比A。之間的關系：
本文所用膠筒橡膠材料為超彈性丁腈橡膠，硬度IRHD90, Clo=1.925 56,Co,=0.962 78.
2 封隔器單膠筒有限元模型
壓縮式封隔器膠筒在坐封載荷作用下發(fā)生徑向膨脹，膠筒外表面與套管內(nèi)壁相互接觸，密封油套環(huán)形空間。封隔器隔環(huán)、膠筒、套管、中心管幾何結(jié)構(gòu)及所受約束和載荷是軸對稱的，故可對封隔器模型進行二維簡化。簡化的二維軸對稱模型如圖1所示，封隔器的幾何模型和力學參數(shù)如表1所示。
套管內(nèi)壁與膠筒的外表面相互接觸的屬性定義為有限滑移、摩擦因數(shù)為0.3的罰函數(shù)摩擦公式，膠筒采用CAX4H四節(jié)點線性軸對稱雜交單元，其余采用CAX4四節(jié)點線性軸對稱單元劃分網(wǎng)格，在模型上施加邊界和載荷條件時，把套管、中心管和下隔環(huán)完全固定，在上隔環(huán)施加向下的50 MPa的坐封載荷。
3 防突裝置優(yōu)化分析
防突裝置硫化在膠筒內(nèi)部，可降低封隔器膠筒在過大的坐封載荷作用下發(fā)生肩部突出的可能性，合理的防突裝置材料和結(jié)構(gòu)有利于提高封隔器的力學性能，防突裝置的二維模型如圖2所示。
3.1 防突裝置材料
常用的防突裝置采用碳素結(jié)構(gòu)鋼、紫銅、鋁合金等材料，其材料參數(shù)如表2所示。通過有限元分析比較防突裝置的防突效果，對防突裝置材料進行優(yōu)選，封隔器位移云圖如圖3所示，肩部突出曲線如圖4所示。
壓縮距是在坐封載荷作用下的下壓距離，在一定程度上表現(xiàn)了封隔器的密封能力，肩部突出部分易造成膠筒應力集中，增加了膠筒發(fā)生破壞的幾率，縮短了膠筒壽命，同時使得膠筒的受力發(fā)生改變導致接觸應力產(chǎn)生變化，影響其密封性能。
分析圖3、4，得到如下結(jié)論：
1)在50 MPa的坐封載荷下，常規(guī)封隔器壓縮距為17. 71 mm，碳素結(jié)構(gòu)鋼、紫銅、鋁合金材料防突裝置對應的新型封隔器壓縮距分別為16. 85、16. 93、16. 87 mm，可見常規(guī)封隔器壓縮距大于新型封隔器壓縮距；紫銅、鋁合金、碳素結(jié)構(gòu)鋼三種防突材料對應的新型封隔器壓縮距依次減小。
2)在50 MPa的坐封載荷下，常規(guī)封隔器肩部突出距離為3. 83 mm，碳素結(jié)構(gòu)鋼、紫銅、鋁合金材料防突裝置對應的新型封隔器肩部突出距離分別為1. 25、1.50、1. 46 mm，可見新型封隔器平均肩部突出降低了63. 35%，紫銅、鋁合金、碳素結(jié)構(gòu)鋼三種防突材料對應的新型封隔器肩部突出距離依次減小。
3)壓縮距愈大說明膠筒與套管壁貼合更加緊密，密封更可靠，所以壓縮距不宜過小，肩部突出愈大，膠筒被撕裂的風險越大，所以肩部突出不宜過大，綜合考慮選
材料為鋁合金的防突裝置。
3.2 防突裝置位置
根據(jù)第3.1節(jié)分析結(jié)果，選擇鋁合金材料的防突裝置，分析防突裝置距膠筒端面距離H對膠筒的力學性能的影響，膠筒沿路徑（膠筒外表面從下到上的節(jié)點路徑）接觸應力、Mises應力曲線分別如圖5、6所示。
分析圖5、6，得到如下結(jié)論：
1)不同位置防突裝置時膠筒接觸應力差異不大，故認為防突裝置位置對膠筒的密封性能影響很小。
2)膠筒Mises應力隨著防突裝置距膠筒端面距離的增大呈遞減趨勢；增大防突裝置與端面距離明顯降低了膠筒外表面的Mises應力。
3)綜合圖5、6考慮，選擇膠筒Mises最小時防突裝置的位置為最佳，因此選擇距膠筒端面距離H=2. Smm的新型防突裝置。
3.3防突裝置厚度
根據(jù)上述分析結(jié)果選擇鋁合金材料，H=2. Smm的防突裝置，分析防突裝置厚度對膠筒接觸應力，Mises應力的影響，結(jié)果如圖7、8所示。
分析圖7、8，得到如下結(jié)論：
1)膠筒與套管壁間的接觸應力沿路徑非線性增大，在靠近加載端接觸應力最大；膠筒接觸應力隨著防突裝置厚度增大而減小，可見減小防突裝置厚度會提高膠筒的密封性能。
2)隨著防突裝置厚度的增加，膠筒的Mises應力先增大后減小，當防突裝置厚度為0.5 mm時，膠筒Mises應力最小，相比防突裝置厚度為2 mm時降低了37%。
3)過大的Mises應力會使膠筒被撕裂的風險增大，增大防突裝置厚度，可以降低膠筒的Mises應力，但防突裝置厚度過大，會導致膠筒的體積和接觸長度都減小，降低了膠筒的密封性能。綜合圖7、8考慮，選擇厚度為0.5 mm的防突裝置，此時膠筒接觸應力最大，接觸長度最長，Mises應力較小。
4 結(jié)論
1)提出一種硫化在膠筒內(nèi)部的新型防突裝置，該防突裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，不受環(huán)空砂礫等雜質(zhì)影響而被破壞。
2)新型封隔器肩部突出距離降低了63. 35%，使膠筒不易被破壞，延長了膠筒的使用壽命。
3)對防突裝置材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)選，選擇材料為鋁合金，距膠筒端面距離H= 2.5 mm，厚度B=0.5mm的新型防突裝置，提高了膠筒力學性能，保證了封隔器的安全坐封。
下一篇:返回列表
