扩张式封隔器胶筒力学性能分析

*扩张式封隔器胶筒力学性能分析程心平(中海油能源发展股份有限公司工程技术公司)摘要:为了适应海上油田大排量反洗井的要求,开发了液控扩张式封隔器可洗井分注技术。对扩张式封隔器胶筒材料进行了力学性能测试,并系统地进行了封隔器胶筒结构有限元分析技术的研究。研究结果表明,封隔器胶筒橡胶的应力-应变呈非线性关系,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;当封隔器处于内压20.0MPa工作状态时,上、下胶筒座的应力水平最高,最大Mises应413.2MPa;在胶筒中,外层胶筒两端应力水平最高,可达46.4MPa,胶筒两侧应变能密度最大;封隔器处于工作状态时,其肩部变形最大,伴随着压力的增加,变形的趋势减缓,应变能密度与工作压力基本呈直线关系。所得结果可为扩张式封隔器的结构设计提供理论依据。关键词:扩张式封隔器;胶筒;钢丝帘线;有限元分析;应力;应变;力学性能中图分类号:TE925文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1001-4578.2014.06.017MechanicalPropertiesAnalysisofExpandablePackerRubberChengXinping(EnergyDevelopmentLimitedCompany,CNOOC)Abstract:Inordertomeettherequirementforthelargedisplacementinversewellflushinginoffshoreoilwells,awellclean-upandseparateinjectiontechnologyisdevelopedbyadoptingahydraulicexpandablepack-er.Themechanicalpropertiesoftheexpandablepackerrubberhavebeentestedandtherubbersleevestructurehasbeensystematicallyanalyzedbyusingfiniteelementanalysis.Theresultsshowthatthestress-strainrelationshipofthepackerrubbersleeveisnon-linear.Asthetemperaturerisesbelow65℃,thestrengthoftherubberdecreasesandreachesaminimumpointatthetemperatureof65℃.Whilethetemperaturecontinuestorise,therubberstrengthwillincrease.Whentheinternalpressureofthepackeris20.0MPa,theupperandlowerdriftringhavethehigheststresswiththemaximumMisesstressof413.2MPa.Theendsofouterlayeroftherubbersleevehavethemaximumstressofupto46.4MPa.Themaximumstrainenergydensityhappensattheendsoftherubbersleeve.Themaxi-mumdeformationsareatthepackershoulderswhenthepackerisinworkingcondition,andthedeformationratedecreaseswiththeincrementofpressure.Thedeformationenergydensityhasalinearrelationshipwiththeworkingpressure.Theresultsofthestudycouldprovideatheoreticalbasisforthestructuraldesignofexpandablepacker.是国际上先进封隔器制造商的普遍做法[1]。国内在压缩式封隔器结构仿真研究方面提高了对封隔器工作机理的认识。李晓芳等[2]利用Ansys软件研究了压缩式封隔器上、中、下胶筒在多种轴向载荷引言0采用有限元软件对封隔器结构设计和参数优化*基金项目:中国海洋石油总公司科技发展项目“海上分层注水井下洗井工艺技术研究”(C/KJFJDCJF001-2010)。2014年第42卷第6期程心平:扩张式封隔器胶筒力学性能分析—73—用下分别与套管的接触压力情况;韩国有等[3]采用有限元软件重点研究了引起肩部突出的变形现象;张宝岭等[4]用有限元模拟研究了压缩式胶筒端部加紫铜防突片后接触压力分布的特征;张晓林等[5]对封隔器橡胶筒材料做了有限元分析,并进行了结构优化;练章华等[6]对于封隔器的坐封过程进行过有限元分析计算。针对扩张式封隔器,国内目前刘连伟[7]就油田注水用K344-114封隔器做过相关的介绍。冷传基等[8]对扩张式封隔器胶筒的高温密封性能进行分析,王宏万等[9]对密闭扩张式封隔器进行了试验验证与现场验证。为了适应海上油田大排量反洗井的要求,开发了液控扩张式封隔器可洗井分注技术。与常规封隔器相比,扩张式封隔器内径比常规封隔器大,而外径要保持不变,因此胶筒的厚度变得较薄。针对开发的K344-114扩张式封隔器结构建立了有限元模型,加载计算得到了封隔器胶筒内、中、外各层应力情况,并对封隔器的肩部进行了详细分析。裂。当封隔器需要多次加压、泄压时塑性变形会逐渐累加,更增加了胶筒...

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