【摘 要】
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在工况复杂的油气井井下工作时,封隔器胶筒的密封性能和强度还不能很好的满足需求,从而本文先对扩张式封隔器胶筒进行力学行为数值模拟研究,分析各个阶段受力时所反映出的问
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在工况复杂的油气井井下工作时,封隔器胶筒的密封性能和强度还不能很好的满足需求,从而本文先对扩张式封隔器胶筒进行力学行为数值模拟研究,分析各个阶段受力时所反映出的问题,然后从结构和材料对胶筒进行了研究,并对单一式密封元件和组合式密封元件的密封性能进行了比较分析。本文以常用的K344封隔器为对象,运用弹性理论以及大变形理论知识对封隔器胶筒分两个阶段进行了受力分析,第一个阶段是胶筒扩张后且与套管接触前,第二个阶段是与套管接触后,得到了每个阶段受力的特点。然后用有限元软件建立了K344含胶筒在内的局部有限元模型(包括中心管,上下胶筒座,套管),模拟它的工作过程,得到了它各个阶段的受力云图。结果表明,当封隔器处于内压20.0 MPa工作状态时,上、下胶筒座与中心管联接部分的应力水平最高,其最大Mises应力为66.19MPa。在胶筒中,中间部分的应力变化趋于平缓,而靠近两端处应力可达18.05MPa,且肩部变形最大,剪应变达到0.8。针对胶筒在坐封时所反映出的受力特征,在建模时对胶筒结构进行了改进,在改变封隔器胶筒结构和材料参数(厚度,高度,摩擦系数,肩部倾斜角,加钢丝连线)后用有限元进行了分析,对比分析后得出在同等外部条件下,胶筒的接触应力随着胶筒厚度的增加而减小,密封性能也随之减小。胶筒长度太短会产生应力集中现象,因此胶筒的长度不能太短,本文建议选择大于125mm的长度。为了保持密封元件的完整性和工作的可持续性,必须有稳定的接触应力为了同时保持足够的摩擦力使胶筒在工作时不滑动,本文建议选用0.28的摩擦系数。随着封隔器胶筒肩部角度的变化,胶筒上的最大应力差异不大,而且倾角为15°时的最大应力反而要高于30°和45°时的应力,所以建议肩部倾角取15°,此时既有利于减弱肩部突出的程度,也能满足强度需求。在建模时对胶筒材料进行了改进,分别在胶筒中添加1-3层钢丝帘线,对其坐封过程进行有限元分析后,对比得出了材料补强措施。本文对单一密封元件与组合式密封元件的密封性能进行了比较分析,通过数据对比可以看出采用组合式密封元件,不仅降低了封隔器的坐封力,且承压能力要比采用单一式密封元件高,密封效果也更好。
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