封隔器系统工作行为仿真研究.ppt

封隔器系统工作行为仿真研究封隔器系统工作行为仿真研究 内内 容容 1.绪论 2.封隔器国内外研究与发展现状 3.Y341-148封隔器主要零部件的力学分析 4.封隔器胶筒材料力学性能试验研究 5.封隔器系统工作行为仿真模型建立 6.封隔器系统工作行为仿真软件研制 7.Y341-148封隔器系统工作行为仿真分析 8.Y341-148封隔器工作性能台架试验研究 9.结论及建议 1.1 研究背景研究背景 能源问题是世界各国所面临的共同问题 封隔器是石油开发的主要井下工具之一 石油天然气钻探和开采难度不断加大，对封隔器的工作性能提出了更高的要求 计算机仿真技术在石油工业方面也已得到应用 1 绪绪 论论 1.2 1.2 研究目的及意义研究目的及意义 以江汉采油工艺研究院Y341-148封隔器为研究对象，通过建立其坐封、密封、解封工作行为仿真的力学、数学模型，开发井下封隔器工作行为仿真分析软件，找到封隔器在不同工况条件下的运动规律和力学性能，为进一步提高现有封隔器的综合性能、优化设计和研制新型井下封隔器提供新的理论和方法。1.3 1.3 研究主要内容研究主要内容 （1）开展了封隔器胶筒的力学性能试验研究，建立了橡胶材料在特定工况下的本构关系；（2）将胶筒柔性体与胶筒座、套管壁等刚性体运动过程中的接触区域处理为持续变化的非线性边界条件；（3）在国内率先建立了胶筒大变形特征的封隔器系统工作行为仿真模型，并进行了求解；（4）开发了具有自主知识产权的封隔器系统工作行为仿真软件；（5）自行设计建造了封隔器整体工作性能测试的试验台架，完成了Y341-148封隔器台架试验研究。1.3 1.3 研究主要内容研究主要内容 2.1 封隔器的功能、分类及现有封隔器的结构封隔器的功能、分类及现有封隔器的结构 封隔器 按时间 可取式 永久式 按原理 机械式 水力式 按结构 压缩式 扩张式 自封式 组合式 2 封隔器国内外研究与发展现状封隔器国内外研究与发展现状 Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器底底部部循循环环凡凡尔尔底底部部循循环环凡凡尔尔注注水水层层注注水水层层Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器注注水水层层注注水水层层Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器底底部部循循环环凡凡尔尔底底部部循循环环凡凡尔尔注注水水层层注注水水层层注注水水层层注注水水层层Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器注注水水层层注注水水层层注注水水层层注注水水层层锚定式分层注水管柱 Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器水水井井双双向向锚锚水水井井双双向向锚锚底底部部循循环环凡凡尔尔底底部部循循环环凡凡尔尔注注水水层层注注水水层层Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器注注水水层层注注水水层层Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器水水井井双双向向锚锚水水井井双双向向锚锚底底部部循循环环凡凡尔尔底底部部循循环环凡凡尔尔注注水水层层注注水水层层注注水水层层注注水水层层Y341Y341封封隔隔器器封封隔隔器器偏偏心心配配水水器器偏偏心心配配水水器器注注水水层层注注水水层层注注水水层层注注水水层层油套保护分层注水管柱 超高压注水管柱 压压井井洗洗井井开开关关压压井井洗洗井井开开关关管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器Y241Y241封封隔隔器器封封隔隔器器坐坐封封球球座座坐坐封封球球座座水水力力锚锚水水力力锚锚注注水水层层注注水水层层压压井井洗洗井井开开关关压压井井洗洗井井开开关关管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器Y241Y241封封隔隔器器封封隔隔器器坐坐封封球球座座坐坐封封球球座座水水力力锚锚水水力力锚锚注注水水层层注注水水层层注注水水层层注注水水层层可洗井高压注水管柱 压压井井洗洗井井开开关关压压井井洗洗井井开开关关管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器Y241Y241可可洗洗井井封封隔隔器器可可洗洗井井封封隔隔器器坐坐封封球球座座坐坐封封球球座座水水力力锚锚水水力力锚锚节节流流滑滑套套节节流流滑滑套套注注水水层层注注水水层层压压井井洗洗井井开开关关压压井井洗洗井井开开关关管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器管管柱柱伸伸缩缩补补偿偿器器Y241Y241可可洗洗井井封封隔隔器器可可洗洗井井封封隔隔器器坐坐封封球球座座坐坐封封球球座座水水力力锚锚水水力力锚锚节节流流滑滑套套节节流流滑滑套套注注水水层层注注水水层层注注水水层层注注水水层层 封隔器在石油开采中的应用封隔器在石油开采中的应用-注水注水 封堵层封堵层 采油层采油层 采油层采油层 下管柱下管柱 坐封封隔器坐封封隔器 投球丢手投球丢手 抽油抽油 打捞打捞 上提上提解封解封 封隔器在石油开采中的应用封隔器在石油开采中的应用-堵水堵水 下管柱下管柱 坐封封隔器坐封封隔器 投球丢手投球丢手 打捞打捞 封堵层封堵层 采油层采油层 采油层采油层 抽油抽油 解封上提解封上提 封隔器在石油开采中的应用封隔器在石油开采中的应用-堵水堵水 封隔器结构封隔器结构 Y341-148封隔器结构示意图 1 上接头；2销钉；3上外套；4锁簧座；5锁扣指；6 锁指套；7锁环；8卡爪套；9内中心管；10外中心管；11上胶筒座；12胶筒 1-3；13隔环；14下胶筒座；15上活塞套；16上活塞；17下中心管；18下活塞套；19下活塞；20下接头；21剪钉；22剪钉座；23防撞环 工作原理工作原理 座封：油管内加液压，经过中心管上的孔进入下活塞套腔内，迫使活塞套向上推动下胶筒座压缩胶筒，当胶筒压缩到位后，外中心管上端的锁环总成锁死，完成座封。解封：上提油管，靠胶筒与油管间的摩擦力，使封隔器的解封销钉拉断，锁环套和外中心管分离，从而使锁套、外中心管、下胶筒座等部件向下移动，胶筒在自身的弹力下恢复原状，完成解封动作。3.1 三维实体模型的建立三维实体模型的建立 Y341-148井下封隔器由27个零件组成，分为密封、坐封和解封三大部分 解封 密封 坐封 图3.1 封隔器装配图 3 Y341-148封隔器主要零部件封隔器主要零部件 的力学分析与结构优化的力学分析与结构优化 图3.2 封隔器部分零部件 3.1 三维实体模型的建立三维实体模型的建立 3.2 上外套有限元分析及结构优化上外套有限元分析及结构优化 应 力 大 部 分在 200MPa 左 右。但在栅状进水孔的两端有应力集中 应力集中 图3.5 有限元分析计算结果 有限元分析约束 和载荷条件 图3.6 上外套有限元计算结果 (a)增大到端面距离后的应力分布(b)增大栅格宽度后的应力分布 增大栅格到端面的距离后，应力整体分布较均匀，在87.7-175.4MPa之间，比原结构应力小。3.2 上外套有限元分析及结构优化上外套有限元分析及结构优化 表3.1 内中心管结构优化前后应力对比值 中间应力MPa 两端应力MPa 应力集中MPa 优化前 优化后 110.7110.7-147.1147.1 37.4837.48-74.1174.11 330330 101.2101.2-134.7134.7 302302 34.2334.23-67.767.7 中心管分析优化结果中心管分析优化结果 上活塞分析优化结果上活塞分析优化结果 活塞下端与下活塞接触螺纹的退刀槽和进水孔处有相对较大的应力集中，在500MPa左右。优化后，上活塞应力分布在114.7-228.2MPa之间，退刀槽底部倒圆角以后，应力集中也减小。3.2 上外套有限元分析及结构优化上外套有限元分析及结构优化 胶筒是封隔器的关键部件，本文开展了封隔器胶筒目前所用4种橡胶材料在模拟实际工作环境下的力学性能试验研究，测定了这4种橡胶材料在不同载荷、不同温度下的应力-应变数据，建立了与井下实际工况相对应的胶筒材料本构关系 4 封隔器胶筒材料力学性能试验研究封隔器胶筒材料力学性能试验研究 4.1 试验目的及试验内容试验目的及试验内容 对封隔器胶筒硫化橡胶的标准试样在不同压力和不同温度条件下的性能进行试验，获取应力应变关系及橡胶的压缩模量、杨氏模量等值，为封隔器有限元仿真计算提供材料本构关系数据。试验标准：试验标准：本次试验根据GB/T 7757-93：硫化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应变性能的测定,采用了施加压缩力的金属板经润滑剂润滑的方法，试验件和金属板达到充分润滑。本试验在中国燃气涡轮研究院完成。4.1 试验目的及试验内容试验目的及试验内容 试验步骤：试验步骤：试样分组：将经过试样检验合格的试样分组；温度分组：试验温度分为如下七档：25、50、75、100、125、150、175 试验的测量：测量试样的直径和高度；安装试验件：将试件上、下圆面涂润滑油后，安装在试验机上，加温稳定3-5分钟，开始试验；加载：对每一试件按04000N，每隔500N 加载、卸载一次并记录试件的变形量。4.1 试验目的及试验内容试验目的及试验内容 试验设备及原理：试验设备及原理：该试验在如图4.1的SB802热、机综合疲劳试验器上进行。试验中还用到以下设备：K型热电偶、杠杆百分表、外径千分尺、压力传感器等。图4.1 SB802热、机综合疲劳试验器简图 4.1 试验目的及试验内容试验目的及试验内容 图4.2 SB802热、机综合疲劳试验器实物图 4.1 试验目的及试验内容试验目的及试验内容 图4.3 SB802热、机综合疲劳试验器实物图 4.1 试验目的及试验内容试验目的及试验内容 4.2 数据记录及处理数据记录及处理 对试验数据进行处理，并拟出合应力应变曲线。在完全润滑条件下压缩均匀，应力应变关系为：对于不大于30%的较高应变量，应力应变关系为：)1(3)1/(1GEocE）（1cEE压缩模量：润滑试样杨氏模量：00.511.522.533.5400.10.20.3应变应力 MPay=12.335x-0.0268-0.500.511.522.533.500.050.10.150.20.25应变应力 MPa图4.5 505#橡胶在150C时应力应变曲线及其压缩阶段拟合曲线 y=51.584x2-1.198x+0.111100.511.522.533.5400.050.10.150.20.250.3应变应力MPa图4.6 505#橡胶在150C时应力应变曲线松弛阶段拟合曲线图 4.2 数据记录及处理数据记录及处理 4.3 试验结果分析试验结果分析 通过以上试验得出：橡胶压缩阶段小变形时，其应力应变基本呈线性关系，可以描述为：E 材料卸载后自然回弹的松弛过程，呈非线性形式，可以用二次多项式形式描述：2BA 889.111102.16883.9229.28629757.871.6625210.66322853.765.6353211.37518796.41538.52211.82475489.352.9293211.90528145.148.1338211.92121.259247.96452温度温度 （摄氏度）（摄氏度）压缩阶段线性关系压缩阶段线性关系 松弛阶段非线性关系松弛阶段非线性关系 25 50 75 100 125 150 175 表4.1 505#橡胶在不同温度下材料本构关系 4.3 试验结果分析试验结果分析 5.1 接触问题及有限元法基本原理接触问题及有限元法基本原理 接触问题的复杂性接触问题的复杂性 接触区域的不稳定性 接触界面摩擦现象描述的不准确性 接触体本身材料的非线性和几何变形的非线性 虚拟载荷法虚拟载荷法 将不连续的接触系统还原成单个接触问题的纯边值问题，再由接触区内相对独立的局部处理，确定真实的接触区参数及系统的应力和位移场 5 封隔器系统工作行为仿真模型的建立封隔器系统工作行为仿真模型的建立 5.2 封隔器研究要点及模型简化封隔器研究要点