HRP液压封隔器性能参数数值模拟研究.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷第 5期 石 油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHI NERY 一41 ～ ●设计计算 H R P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 H R P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 A N S Y S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 S o l i d l 8 5超 弹性单元，本构 方程采用 B i l i n e a r K i n e ma t i c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下的失效断裂。结果认为 ，利用 A N S Y S 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HR P封隔器 坐封销钉 密封机理 接触压力 A N S Y S 数值模拟 0 引 言 大港油 田已进 入注水 开发 中后 期 ，属于 多层 系 、复杂断块油藏 ，层 问吸水差 异大 ，矛盾突 出 ， 实施分注技术 已成为该油 田解决层间矛盾 、实施有 效注水 、提高采收率和水驱动用储量 的主要手段 。 但大港油 田高温高压深斜井分布范 围广 ，油藏平均 温度 1 2 0 c c以上 ，注水压力高达 3 2 M P a 。常规 封 隔器胶筒耐温低 ，承受上、下压差小 ，分注施工时 难以对管柱进行有效封隔。为此 ，大港油 田引进了 适合高温高压深斜井 的 H R P液压封 隔器。该封 隔 器通过液压载荷的作用剪断坐封销钉 ，并使活塞上 行压缩胶筒 ，使胶简与套管间产生足够 的接触压力 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 1 4 0 o C以上 ，坐封后封隔器处于受 拉 、受压 自由状态 ，上 、下均能承受压差 ，工作压 差可达 3 5 MP a以上。然而在现场试验 中除歧 1 5 6井成功外 ，板 8 3 5 3井 、中 6 7 41井均 出现 封隔器坐封销钉 未剪断或 坐封后验封 不合格 等 问 题 。因此 ，在 复杂 井 况 下 ，研 究 HR P封 隔器 的 坐 封过程 、胶筒接触压力 以及应力分布等 ，对从理论 上认清胶筒的密封机理 、封隔器工作性能和可靠性 具有 重 要意 义 。 橡胶材料的压缩变形包含着典型的几何和材料 双重非线性 ，在坐封过程 中胶简与套管 内壁 的接触 属于状态非线性问题 ，这给理论研究与计算封隔器 胶筒 的力学性能带来 了闲难 。随着计算机技术和有 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 1 J 。刘清友等 从 系统 的角度建立 了封隔器 有限元力 学模型 和求解方 法 ；杨 秀娟教 授 利用有 限元 技术 对 封 隔器胶 筒 的压缩 过程 、 坐封后胶筒与套管的接触压力分布规律等进行 了系 统分析 ；刘 占广 则应用静 力等效方 法对卡 瓦式 封 隔器坐封后套管应力分布进行 了计算 ，分析 了套 管 内外压差对套管强度的影响。 笔者利用 有 限元分 析软件 A N S Y S ，采用数值 模拟的方法对 H R P液压封 隔器 的工作性能进行模 拟计算 ，以期为复杂井 况下进行封 隔器失效评估 、 技术参数验证 、胶简的组合设计以及现场施工提供 数 据参 考 。 1 基本理论 封隔器在液压载荷作用下实现坐封是一个复杂 的非线性加载过程 ，在较短 的时间内坐封销钉被剪 断 ，活塞上行压缩胶筒 ，实现胶筒与套管的接触密 封。对于 2个独立个体组成的接触体系 ，假设接触 体 A代表胶 筒 ，其完 全拉格郎 日描 述 的有 限元 方 程如式 1 所示 ；接触体 表示套管 ，离散后 利 用虚功原理建立的刚度方程如式 2 所示 。 [ ] { } { P }{ R } 1 [ ] { } { }{ } 2 式 中 [ ] 、[ ]胶筒与套管的刚度矩阵 ； 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 5期 { } 、 { }胶筒与套管的节点位移 向量 ； { P } 、 { P }胶筒与套管 的节点外力 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 ，用应变能密 度 函数来表征其力学特性 ，即 ∑ c 一 3 ∑ I， 一 1 3 式中， 1 第 1偏向应变不变量 ； I ， 弹性变形梯度的决定量 ； N、C d k 材料常数。 式 3 即为完整的非线性模型 ，一般认为橡 胶是不可压缩的，忽略附加体积约束能量项并加 以 简化 ，得到修正的应变能函数三阶表达式 C 1 0 I 1 3 C o 1 ／ 23 C 2 0 1 13 C 1 l ， 13 ／ 23 C 3 。 ， 一3 4 由于 相 比较小 ，假设为 0 ，且 C o i 和 c 都 a 2 等于 0 ，故式 4 可写为 W C 。 J 一3 C 2 。 ， 一3 C ， 。 ， 一3 5 式 5 即为 Y e o h三参数模 型，其单 轴拉伸 时应力表达式为 2 l 0 w， 1 6 2 有 限元计算模 型 的建 立 2 ． 1 有限元计算模型 封隔器坐封是一个 复杂 的过程 ，涉及 到大变 形 、非线性接触和材料失效等问题 。笔者为模拟封 隔器的实际工况 ，在不改变结构特性的情况下对封 隔器附属结构给予简化 ，建立的三维计算模型如图 1 所 示 。 主要包括封隔器坐封销钉和密封胶筒 2部分 ， 坐封销 钉结 构设 置 有 8个销 钉 ，密 封胶 筒包 括 1 3 9 ． 7 mm 5 ． 5英寸 套 管、上胶 筒、中胶 筒、 下胶筒、支撑环和活塞等。其中，销钉规格尺寸为 mm，封隔器外 径 1 1 7 ． 9 m m，内径 6 O ． 3 3 m m， 上 、下胶筒几何尺寸完全相 同，中胶筒长度较短 ， 3个胶筒由刚性支撑环隔开 ，胶筒受活塞上行作用 被压缩 ，实现与套管的密封。胶筒采用 S o l i d 1 8 5超 弹性单元 ，其余元件均采用 S o l i d 4 5实体单元 ，同 时为 了提高精度 ，销钉单元划分较密。 a ． 坐封销 钉 b ． 密封胶简 图 1 封 隔器三维计算模 型 1 一中心管 2 一外衬管 ；3 --套管 ；4 一上胶筒 ； 5 一 中胶筒 ； 6 一 支撑 环 ； 7 一下胶 筒 ； 8 一 活塞 。 2 ． 2 材料参数 计算模型中，销钉材料为黄铜，假设其为理想 弹塑性体，本构方程采用 B i l i n e a r ． K i n e ma t i c模型， 利用删除破坏单元的显式算法来实现销钉在液压载 荷作用下的失效断裂。套管材料为 N 8 0 ，屈服强度 为 5 5 2 MP a ，抗拉强度为 6 8 9 MP a 。封隔器胶筒材 料均为丁腈 4 0橡胶 ，中胶筒的硬度为 8 2 H A，上 、 下边胶筒的硬度为 9 0 H D。采用 Y e o h超弹性本构 模型对 胶筒 压 缩变 形进 行 模 拟 ，材 料 常数 C ． 。 、 C C ∞ 可通过单轴拉伸或剪切试验得到，具体参 数如表 1所示 j 。 表 I 封隔器胶筒的材 料参数 MP a 3 模 拟结果 与分析 在计算模型中，坐封销钉共有 3 2 5 5 7 0个实体 单元 ，密封胶筒有 3 8 1 3 6 0个单元 ，其 中 S o l i d 1 8 5 实体单元为 1 8 3 4 0 0个。液压载荷作用在活塞上 ， 方向沿 y轴正 向，程序采 用 自动时 间步长控制 ， 封隔器 的中心管以及套管两端 自由度全部约束。为 便于分析 ，假设胶筒不可压缩 ，其余均为各向同性 均质的理想弹塑性材料 ，且不考虑温度和套管周围 地层 的影响 。 3 ． 1 坐封销钉模拟结果分析 在液压载荷作用下，坐封钢套推动外衬管沿中 心管的外壁 向下运动 ，使坐封销钉被剪断，瞬间封 隔器坐封启动。销钉剪断过程及应力分布模拟结果 2 0 1 1年第 3 9卷第5期 宋祖厂等HR P液压封隔器性能参数数值模拟研究 ．． 4 3．． 如图 2所示。从图可 以看出，销钉受到载荷作用发 生剪切变形 ，且两端始终与中心管和外衬管联为一 体 ，在中心管与外衬管接触部位产生的塑性变形较 大 ，应力值较大 ，随着载荷 的增加 ，必然引起销钉 内部应力场的不均匀分布 ，产生局部应力集中 ， 导 致裂纹产生与扩展并最终断裂。销钉位移随载荷的 变化 关 系 曲线 如 图 3所 示 。由 图可知 ，随着 载荷 的 不断增大 ，销钉发生变形 ，位移逐渐增加 ，当载荷 达到 1 2 ． 2 MP a时，位移曲线 发生突变 ，并急剧增 大 ，销钉被剪 断，封隔器坐封启动 。这与试验测得 的销 钉 临界 剪切值 1 2 MP a相 比误差仅 为 1 ． 6 ％ ， 说明数值模拟结果与试验值吻合 ，完全能够满足工 程计 算要 求 。 09i e08 28I c08 } 3 8 2 4 cf 8 3 403 c08 2 9 8 1 e0 8 2 560 c 1 8 2 1 3 9 e0 8 1 2 9 6 e 8 8 75f i e 1 7 l 4 5 3 7 c0 7 l 3 246 c0 6 位 P a c ． 0 ． 0 0 6 3 s n ,t 图2 不 同时刻销钉 剪断过程 及应力分布 1 25 O 一 1 25 2 ． 5 0 g一3 ． 7 5 二 一 7． 5O 一 8． 75 1 O． OO 一 11 ． 25 图 3销钉位移 随载荷 的 变化 关系曲线 3 ． 2 封 隔器 坐 封距 变化 分析 图4为 1 5 MP a 液压载荷作用下 的坐封距变化 曲线。由图可 以看 出 ，在液压载荷作用下 ，开始时 由于胶 筒 的弹性模 量 较小 ，很快 就被 压缩 ，而随 着 压 缩 的 进 行 ，坐 封 距 的 增 加 逐 渐 变 缓 ， 当 达 到 2 4 ． 5 m m时封隔器坐封过程结束。 25 22 2 0- 17 三1 5 12． 蕊 1 0 剖7 ． 5 2 ． 时N／ s 图 4 1 5 MP a 液压 载荷 作用下 坐封距 变化 曲线 3 ． 3胶 筒接 触压 力分析 当液压载荷作用在活塞上时 ，上、中、下胶筒 与套管的接触压力分布如图 5所示。 图 5 坐封 后 上 、 中、 下 胶 筒 接 触 压 力 分布 曲 线 由图可知 ，3个胶筒 接触压力分布并不相 同 ， 下部胶筒与套管接触压 力最大 ，达 到 l 5 ． 9 3 M P a ， 而 中胶筒与上胶筒和套管的接触压力较低。说 明封 隔器在井下工作时 ，下部胶筒与套管接触最好 ，起 主要 的密封作用 ，而在计算时没有考虑高温下橡胶 材料 的应力松弛效应 ，这会引起胶筒接触压力 的降 低 。因此 ，为了得到同样大小的接触压力 ，应适 当 提高坐封 力。坐封后套 管 的应 力分 布云 图如 图 6 所示 。 图 6 坐封后套 管的应力云 图 6 4 2 1 9 8 6 4 3 1 ＼ R出锺 辎 润 一 ～ 斡- 瞻