关于hrp液压封隔器性能参数数值模拟研究

《关于hrp液压封隔器性能参数数值模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、石油机械2011年第39卷第5期CHINAPETR0LEUMMACHINERY一41～●设计计算HRP液压封隔器性能参数数值模拟研究宋祖厂盖旭波刘扬窦守进孙桂玲张乐(大港油田公司采油工艺研究院)摘要为了研究复杂井况下HRP封隔器的坐封过程、胶筒接触压力以及应力分布等，应用有限元分析软件ANSYS采用数值模拟的方法对其进行了模拟计算。在不改变结构特性的情况下对封隔器附属结构给予简化，胶筒采用Solidl85超弹性单元，本构方程采用Bilinear—Kinematic模型，利用删除破坏单元的显式算法来实现销钉在液压载荷作用

2、下的失效断裂。结果认为，利用ANSYS有限元软件研究封隔器工作性能和技术参数的方法是可行的，其结果较好地反映了封隔器工作的真实物理过程，大大减少了试验成本，所得结论也与现场试验数据吻合。关键词HRP封隔器坐封销钉密封机理接触压力ANSYS数值模拟胶筒的力学性能带来了闲难。随着计算机技术和有0引言限元法理论的发展，数值模拟技术为解决非线性问题提供了方法1J。刘清友等从系统的角度建立大港油田已进入注水开发中后期，属于多层了封隔器有限元力学模型和求解方法；杨秀娟教系、复杂断块油藏，层问吸水差异大，矛盾突出，授利用有限元技术对

3、封隔器胶筒的压缩过程、实施分注技术已成为该油田解决层间矛盾、实施有坐封后胶筒与套管的接触压力分布规律等进行了系效注水、提高采收率和水驱动用储量的主要手段。统分析；刘占广则应用静力等效方法对卡瓦式但大港油田高温高压深斜井分布范围广，油藏平均封隔器坐封后套管应力分布进行了计算，分析了套温度120cc以上，注水压力高达32MPa。常规封管内外压差对套管强度的影响。隔器胶筒耐温低，承受上、下压差小，分注施工时笔者利用有限元分析软件ANSYS，采用数值难以对管柱进行有效封隔。为此，大港油田引进了模拟的方法对HRP液压封隔器的工作

4、性能进行模适合高温高压深斜井的HRP液压封隔器。该封隔拟计算，以期为复杂井况下进行封隔器失效评估、器通过液压载荷的作用剪断坐封销钉，并使活塞上技术参数验证、胶简的组合设计以及现场施工提供行压缩胶筒，使胶简与套管间产生足够的接触压力数据参考。从而封隔油套环空。该封隔器的胶筒采用耐高温的橡胶材料，耐温140oC以上，坐封后封隔器处于受1基本理论拉、受压自由状态，上、下均能承受压差，工作压差可达35MPa以上。然而在现场试验中除歧15—封隔器在液压载荷作用下实现坐封是一个复杂6井成功外，板835—3井、中6—74—1井均出现

5、的非线性加载过程，在较短的时间内坐封销钉被剪封隔器坐封销钉未剪断或坐封后验封不合格等问断，活塞上行压缩胶筒，实现胶筒与套管的接触密题。因此，在复杂井况下，研究HRP封隔器的坐封。对于2个独立个体组成的接触体系，假设接触封过程、胶筒接触压力以及应力分布等，对从理论体A代表胶筒，其完全拉格郎日描述的有限元方上认清胶筒的密封机理、封隔器工作性能和可靠性程如式(1)所示；接触体表示套管，离散后利具有重要意义。用虚功原理建立的刚度方程如式(2)所示。橡胶材料的压缩变形包含着典型的几何和材料[]{}={P}+{R}(1)双重非线性

6、，在坐封过程中胶简与套管内壁的接触[]{}={}+{}(2)属于状态非线性问题，这给理论研究与计算封隔器式中[]、[]——胶筒与套管的刚度矩阵；石油机械2011年第39卷第5期{}、{}——胶筒与套管的节点位移被压缩，实现与套管的密封。胶筒采用Solid185超向量；弹性单元，其余元件均采用Solid45实体单元，同{P}、{P}——胶筒与套管的节点外力时为了提高精度，销钉单元划分较密。向量；{R}、{R}——胶筒与套管接触节点的接触力向量。胶筒橡胶材料在较短的时间内及恒定的环境温度下通常被视为各项同性的超弹性体，用应

7、变能密度函数来表征其力学特性，即=∑c(一3)+∑(I，一1)(3)a．坐封销钉b．密封胶简图1封隔器三维计算模型式中，1——第1偏向应变不变量；1一中心管：2一外衬管；3-套管；4一上胶筒；I，——弹性变形梯度的决定量；5一中胶筒；6一支撑环；7一下胶筒；8一活塞。N、Cdk——材料常数。2．2材料参数式(3)即为完整的非线性模型，一般认为橡计算模型中，销钉材料为黄铜，假设其为理想胶是不可压缩的，忽略附加体积约束能量项并加以弹塑性体，本构方程采用Bilinear．Kinematic模型，简化，得到修正的应变能函数三阶

8、表达式：利用删除破坏单元的显式算法来实现销钉在液压载=C10(I1—3)+Co1(／2—3)+C20(11—3)+荷作用下的失效断裂。套管材料为N80，屈服强度为552MPa，抗拉强度为689MPa。封隔器胶筒材C1l(，1—3)(／2—3)+C3。(，一3)(4)料均为丁腈40橡胶，中胶筒的硬度为82HA，上、由于相比较小，假设