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油井封隔器系统关键技术研究 摘要 i 油气井是油气从地下开采出来的通道，本论文涉及的封隔器是油气井作业 中使用广泛的一种井下工具。封隔器的作用是在油井深度方向实现分层作业。封 隔器是串联在油管上然后下井工作的，油管封隔器的组合称为封隔器系统， 它是油井在深度方向的一种密封系统。随着油气田开采的深入，地层情况越来越 复杂，分层作业越来越普遍，对封隔器的使用要求也越来越高，封隔器系统工作 失效的情况时有发生，给生产造成损失。目前，如何进行封隔器的作业设计还主 要依靠使用经验，缺乏施工设计的分析方法和设计准则。) 7 本论文的研究目的，是通过对油井封隔系统的性能分析，对封隔器的关键 结构进行密封工作能力评价，为封隔系统提供最优化的结构设计方案；并针对具 体坐封约束设计方案，为封隔器的使用设计提供具体的施工设计准则和方法。 论文对两个方面的工作进行了重点研究，一是对封隔器上最重要的功能元 件密封弹性体密封性能进行分析研究，另一是对封隔器系统的井下受力进行 了分析。 论文用有限元分析的方法，利用超弹理论，建立了封隔器重要元件密 i 封元件的有限元模型。分析了密封元件在封隔压力状态下的应力分布。对比了各 种密封结构的密封能力，分析认为：多重组合结构的密封体应力分布均匀，且可 承受较高的密封压差，是值得开发研制的一种密封体结构。研究还表明，尽管石 墨具有耐高温的性能，但由于石墨材料的密封体在坐封时应力容易发生集中，且 密封能力小，所以不适于作为密封材料。 论文首次全厦系统地分析了井下条件变化对封隔器系统产生的影响，具体 归纳为四种效应：活塞效应、螺旋弯曲效应、鼓胀效应和温度效应。论文还将封 隔器和管柱的相对约束关系归纳分类为三种自由移动、有限移动和锁定。在 每种管柱与封隔器相对约束条件下，研究了上述四种效应对封隔器系统的整体封 隔性能的综合影响。论文通过分析每种情况管柱的可能移动量及其计算方法，提 了计算系统受力变化量的模型与方法。 然后，针对油管相对于封隔器的相对约束状态，提出了相应的封隔器使用 设计准则。在实际使用中，根据封隔器与管柱三种不同的约束状态，对可能出现 的封隔失效形式进行分析，以制定出最合理的施工策略。 通过上述的研究与分析工作，本文为优化封隔器密封体的结构提供了科学 依据，建立了封隔器系统受力分析方法与使用设计准则。通过现场使用验证， 取得了良好效果。本文的研究结果将对封隔器的研制与使用提供重要的技术参 关键词：封隔器系统，力学建模，密封能力评价， f 状基筵模，结构优化 i n v e s t i g a t i o no nw e l lp a c k e rs y s t e m e s s e n t i a lt e c h n o l o g y a b s t r a c t w e l li se x i tf o ro i l e x p l o i t a t i o n ，a n dt h ep a c k e ri s o n ek i n do f w i d e u s e dt o o l si nw e l lt os e a lo f ft h ed i f f e r e n tf o r m a t i o n s i ti s t r i p p e d i n t ow e l lw i t ht u b i n gp i p e ，w h i c hw o r k t o g e t h e ra n dw e r ec a l l e da sw p s ( w e l lp a c k e rs y s t e m ) i nf a c t ，t h ew p s i so n ek i n do fs e a ls y s t e ma tw e l l d e e po r i e n t a t i o n d u et ot h em o r ea n dm o r ec o m p l e xl a y e rc o n d i t i o n so f t h eo i l f i e l dd e e p e x p l o i t a t i o n ，t h ed e m a n d f o rw p si sg e t t i n g h i g h e ra n d h i g h e r t h ew p sf a i l u r e sf r e q u e n t l y ，w h i c hp r o d u c e se c o n o m i cl o s s r e c e n t l n h o wt ou s ea n ds e l e c tw p si s d e p e n d e d o n e x p e r i e n c e a c c o r d i n g l y , i t sa n a l y s i sm e t h o d a n d d e s i g n r u l ea r el a c k e d t w o t a r g e t sa r ei n c l u d e di nt h et h e s i s o n ei st oa p p r a i s et h es e a l i n g p e r f o r m a n c eo f t h ek e ys t r u c t u r eo ft h ep a c k e rs y s t e mb ya n a l y z i n gt h e w p s ，a n dt oo p t i m i z et h ew p s ss t r u c t u r e ；t h eo t h e rt a r g e ti st oo f f e r d e s i g nr u l ea n dm e t h o df o rp a c k e r so p e r a t i o na i m i n gt os o m es p e c i f i c c o n s t r a i n i n f l a t i n gc o n d i t i o n s t w op a r t sa r e i n v e s t i g a t e d i nt h e p a p e r ：o n e i st or e s e a r c ht h e s e a l i n ga b i l i t yo f t h es e a l ，t h em o s ti m p o r t a n t p a r to fw p s ，a n d t h eo t h e r i st or e s e a r c ht h ev a r i o u sf o r c ea n d c h a n g e a b l ec o n d i t i o n ss u f f e r e db y t h e w p su n d e rt h ed e e pw e l l t h ef e mm o d e lo f s e a l i n gp a r ti se s t a b l i s h e db y t h et h e o r yo fe x t r a e l a s t i ct h e o r yi na n s y s b a s e do nt h em o d e l ，i t ss t r e s sd i s t r i b u t i o ni s a n a l y z e du n d e rp a c k - o f fc o n d i t i o n i tc o n c l u d e st h a tt h em u l t i - c o m p l e x c o m p o n e n t i st h em o s ts u i t a b l es t r u c t u r eb yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n t 3 s e a l i n gs t r u c t u r e s i t ss t r e s sd i s t r i b u t e se v e n l y w h i c hc a np a c ko f fh i g h p r e s s u r e a n o t h e rc o n c l u s i o n i st h a tt h eb l a c kl e a di s p r o n et o s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ，w h i c hh o l d sl o wp a c k o f f c a p a c i t ya n d i sn o ts u i tt os e a l t h et h e s i s f i r s t l ya n a l y z e sh o w t h ec h a n g e a b l ec o n d i t i o n so fd e e p w e l lt oa f f e c tt h ew p s i ti ss u m m e du pt of o u re f f e c t s ：p l u g e f f e c t ， s p i r a l b e n de f f e c t ，d r u m e x p a n d e de f f e c t a n dt e m p e r a t u r ee f f e c t t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h em a n d r e la n dt h e p a c k e r i sc o n c l u d e da st h r e e c o n d i t i o n s ：f r e em o v e m e n t ，a1 i t t l em o v e m e n ta n d1 i m i t e dm o v e m e n t r e s p e c t i v e l y , t h ec o m p r e h e n s i v e i n f l u e n c eo ft h ef o u re f f e c t so nt h e w p s sw h o l e s e a l i n gp e r f o r m a n c e u n d e rt h et h r e ec o n s t r a i n s a tl a s t ，t h e m e c h a n i c a lm o d e lo fw p si s p u tf o r e w o r d ，t h ep o s s i b l ed i s p l a c e m e n ti s c a l c u l a t e d ，a n di t sc a l c u l a t i n gm e t h o d i sg i v e n f i n a l l y , t h ed e s i g n r u l e sa r ea d v a n c e df o rt h ew p s s a p p l i c a t i o n u n d e rd i f f e r e n tc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s t h et y p i c a lf a i l u r em o d e so fw p s a r ea n a l y z e dc o n s i d e r i n gt h r e ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n st od e v i s et h em o s t r e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o ns t r a t e g i e s b a s e do nt h ea b o v ei n v e s t i g a t i o n ，s c i e n t i f i cm e t h o di s p r o v i d e dt o o p t i m i z et h e 甲s ss t r u c t u r e a n dt h ep a c k e r su s i n gr u l ea n da n a l y s i s m e t h o di se s t a b l i s h e d t h et h e o r yi sv a l i d a t e db yt h er e l a t e de x p e r i m e n t s i tw i l lo f f e r i m p o r t a n t t e c h n i c a lr e f e r e n c ef o r p a c k e r r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p a c k e rs y s t e m ，m e c h a n i c a lm o d e l ，s e a l i n gp e r f o r m a n c e a p p r a i s e ，s t a t em o d e l ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 4 t - 海交通大学海父逋大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标踢。 本人完全意识到本声明的法律结果白本人承担。 学位论文作者签名：各乏心 日期：+ z n 乙年r 月功日 符号说明 a 油管内面积( 相应于油管内径的面积) a 。油管外面积( 相应于油管外径的面积) a r 封隔器密封腔孔径面积； a s 油管壁横截面积： 卜油管外径： e 杨氏模数( 对于钢来说，e = 3 0 x1 0 6 磅英寸2 ) ； f 力( 压缩力为正) ： f 。封隔器允许油管自由移动时，作用在油管下端的实际液压力； f ? 油管下端由于液压和封隔器的限制而产生的总实际力： f r 一封隔器允许油管自由移动时的虚构力； f t + 封隔器不允许油管移动时的虚构力； f 。封隔器对油管的作用力； f t _ 一井口处油管所承受的力； f 由于封隔器压力变化而产生的实际力的变化： h 螺距： 相对伸长： 一， 、 l 油管横截面积对其直径的转动惯量：i = 当i d 4 一d 4 ) ，式中d 为外径，d 为内径； 6 4 、 l 油管柱长度( l _ 第一级长度；l 一第二有长度) ； l 由于流动和压力、温度密度的变化而引起的整个油管长度变化： l ，由于虎克定律效应引起的油管长度变化； l ：由于螺旋弯曲引起的油管长度变化； l 。由于流体的径向压力和油管中的流体的流动而引起的油管长度变化： l 。由于温度变化而引起的油管长度变化； l s 在压力、温度、密度变化前和流体流动之前，由于机械力f ( 即松弛力或提拉力) 引起的油管长度变化。 n 油管下端( 封隔器到终点的距离) ； p i 封隔器处油管内部的压力； p o 封隔器处环形空间的压力： p o s 一井口处套管压力( 或紧靠中间封隔器下部的环形空间压力) ； r _ 油管和套管之间的径向间隙； r 油管外径与内径的比值( 外径内径) t 油管平均温度变化； w 单位长度油管在流体中的重量； w i 单位长度油管中的流体重量； w o 单位长度油管体积( 以外经算所排开套管中流体的重量) ； w 单位长度油管( 包括结箍在空气中的平均重量) ： b 油管材料的热膨胀系数( 钢= b = 6 9 1 0 6 ) ； 6 由于流体流动而引起的单位长度油管内的压力降。 申请l ：海交通大学工程硕士学位论文：油外封隔器系统关键技术研究 第一章绪论 1 1 立题意义与课题来源 本课题研究油井作业用封隔器系统的两大子系统：密封弹性体和功能管柱。通 过对不同结构、不同材料密封弹性体在作业时应力分布状况以及封隔压差能力的研 究，得出什么类型的结构是合理的、什么样的材料是合理的，从而可以指导改进封隔 器的弹性密封件；此外封隔器系统应用中柱会因井下压力温度的变化而在受力上发生 改变，使其与封隔器的密封失效或管柱变形，导致整个系统的失效，通过论文的研究， 将得出封隔器系统使用工艺方法与参数。 封隔器是指具有弹性密封的一种井下工具，用来封隔环空，隔绝产层，以控制 图1 1 封隔器系统 f i g l - 1p a c k e rs y s t e m 产( 注) 液。封隔器所具备的种种功能，主 要依靠弹性密封元件的密封作用来实现。正 是由于封隔器独特的密封作用，为油气水井 的正常生产和各种井下工艺措施的顺利进行 提供了有效的机械密封手段，因此，封隔器 被认为是实现油气田合理开采的战略性武 器。 封隔器是接在管柱上下井作业的。在现 场，往往把这种带封隔器的油管柱叫做“管 柱一封隔器系统”，论文中称作封隔器系统。 随着油田开发后期的到来，地层情况日 趋复杂，井下作业难度加大，对封隔器的使 用要求也提高，使用封隔器的不成功率也在 升高，如1 9 9 9 年胜利油田封隔器作业的一次 成功率只有6 7 。 对封隔器本身来说，最关键的部件是弹 性密封元件，它在很大程度上影响甚至决定 着封隔器系统井下工作的成败，研究封隔器 的应用，自然要对弹性密封体工作状态进行 史堕圭塑銮望查兰三堡堡主兰焦笙壅! 塑茎塑堕墅墨竺茎壁苎查旦壅 分析研究，优选弹性体的材料和优化设计结构，但目前国内没有哪家研究单位对弹性 密封元件从应用状态进行分析研究，多从使用效果上判断，存在很大的不确定性和不 科学；此外，封隔器系统在井下工作的条件主要是压力和温度，往往因井的工艺 了式的变化而变化，这些变化会引起封隔器系统受力发生变化，从而封隔器管柱的长 度发生变化，或伸长或缩短，结果导致封隔器过早解封、错封或漏窜，有时会引起事 吱。 所以，对封隔器的最关键部件弹性密封体进行工作状态下的分析研究是非常 迫切需要的，通过对比不同结构、不同材料密封弹性体在作业时应力分布状况以及封 隔压差能力的研究，得出什么类型的结构是合理的、什么样的材料是合理的，进行改 进；另外，从理论上分析温度、压力的变化如何影响封隔器系统的受力状况是致关重 要的。通过论文的完成，在封隔器应用领域首次初步建立一套正确使用封隔器的理论， 初步实现量化施工，有效保证封隔器的使用效果和寿命。 1 9 9 9 年底油田组织开展了封隔器技术研究的科研课题，本人是该课题的主 要完成人，论文做的内容来源于该科研课题。 1 2 国内外文献综述 作为一种重要的井下工具，其研究发展一直为石油技术人员所重视。早期的封隔 器，结构简单，用途单一，性能低下。1 8 8 0 年，美国斯图尔特( s t e w a r t ) 发明了一 种单肢筒封隔器，其胶简是在锥形体的楔入作用下膨胀的。 苏联封隔器的研究工作，起步也比较早。三十年代初，阿塞拜疆油田首先开始采 用正反扣螺栓式封隔器。1 9 3 6 年，阿塞拜疆矿机研究所研制了结构比较完善的尾管 式封隔器，但其下入深度只有3 0 0 6 5 0 米，有效工作压差不超过2 5 公斤厘米2 5 。 为了合理地开发多油层非均质油田，避免层间干扰和确保各层有效生产，三十年 代末，美国和苏联相继开始了分层开采工艺的研究和其他分层工艺技术( 如分层注水、 分层测试、分层进行增产措施) 的试验1 ，这就导致了适应分层开采工艺技术的各种 封隔器的发展。1 9 4 2 年，第一次双层完井使用了美国贝克工具公司制造的封隔器。 1 9 5 1 年，用于多管完井作业用的双管封隔器也已经问世”1 。 近几十年来，随着钻井、完井工艺不断向高压、高温复杂的深部地层方面发展， 对封隔器提出了种种更高的要求，因而促使封隔器研制工作趋向专业化，研制的产品 申请卜海交通大学工程硕上学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 隔器的影响，有的谈到压力对封隔器的影响等等，没有综合考虑，缺乏计算分析的手 段，最后还是停留在讨论和分析事故阶段。后来施工还是靠经验判断。 1 3 论文研究内容和解决的问题 论文主要做两个方面的工作，一是对封隔器上最重要的功能元 件密封弹性体进行分析研究，一是对封隔器系统的井下受力进行分析 与研究。 封隔器的密封弹性体是封隔器的重要组成部分。目前，国内封 隔器密封弹性体的结构和材料多种多样，却少有对其进行分析研究， 设计和改进存在许多不科学性。论文将用有限元分析的方法，研究对 比四种密封体结构，依据超弹理论建立了几何模型，进行工作状态下 的应力分析，根据结果，应力分布是否均匀，能封隔压差的大小等性 能。此外将对石墨材料的密封体进行初步分析，研究结果用来指导密 封体的设计和优化。 论文将全面地对封隔器系统井下受力情况进行分析研究，主要 依据常规的数学公式、物理公式如虎克定律等，有必要精确地分析和 计算作用在封隔器管柱上愈加增大的压力和温度变化所引起的各种 效应，以便提高封隔器系统使用的可靠性和寿命要求，达到施工目的 和设计要求。将对封隔器管柱因井下温度和压力的变化而发生的变化 具体归类。研究效应对应的管柱长度变化量；管 柱与封隔器有三种相互关系：管柱可移动、管柱 可向一个方向移动及管柱被锁死，研究三种情况 下发生各种效应后的结果，论文进一步分析每种 关系对应下的各种效应的迭加结果，通过对封隔 器系统在井下工作的受力分析和变形分析，得出 在使用封隔器系统作业时，应确定的一些工艺方法和参数，用来建立封隔器系统的受 力分析理论。 旦堕圭塑銮望查堂三堡堡主兰堡堡塞! 塑茎塑堕墨墨竺茎堡垫查至壅 第二章密封弹性体的有限元分析研究 封隔器使用过程中的失效，存在两种情况：一是管柱与密封脱位、管柱变形等， 另外就是密封件本身破坏。密封件在坐封、承压条件下的形状以及应力集中的部位多 年以来靠经验判断。如果不能找到密封件的主要应力集中在什么地方，就不能正确解 决矛盾，不知道密封件该如何加强或改进。因此在查阅了与大变形超弹性材料相关计 算方法，利用国外成熟的a n s y s 软件模拟了胶筒的受力和变形状态，优选出相应的密 封结构。 有限元方法的主要思想是将分析对象离散化，分成有限个单元体，相邻单元间由 节点连接，根据单元的位移函数、由单元刚度阵组成的总体刚度阵和等效后的节点载 荷一起形成整体平衡方程组，应用边界条件求解方程组得到个节点的位移，进而求得 应力等其他参量。有限元法本身是一种近似计算方法，计算结果的收敛性和精确度受 到算法、简化模型、边界条件等多种因素的影响。 弹性密封体坐封膨胀接触属于大变形、材料非线形的接触问题。此类问题的求解 比较复杂，很难得到精确的理论解，通常采用非线形有限元法进行分析计算24 1 。 2 1 理论分析 封隔器的密封体必须有大的变形量( 一般2 - - 4 倍左右) ，采用的材料多是橡胶， 材料分为刚性材料、弹性材料和超弹性材料三种情况下，适合于超弹材料。一般工程 材料的应力状态由一条弹塑性响应曲线来描述，而超弹材料存在一个弹性势能函数， 该函数是一个应变或变形张量的标量函数，而该标量函数对应变分量的倒数就是相应 的应力分量。1 。 s 】= 稻 式中： s = 第二皮奥拉一克希霍夫应力张量： w = 单位体积的应变能函数； e = 拉格朗日应变张量 拉格朗日应变可以由下式表达： e 】= 】一i ) 其中： i 是单位矩阵， 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 c 是柯西一格林应变张量； c 】_ f r v 】 其中 f 是变形梯度张量，其表达式为：i t 2 衾 x ：变形后的节点位置矢量：x ：初始的节点位置矢量。 如果使用主拉伸方向作为变形梯度张量和柯西一格林变形张量的方向，则有： j 巧k 0 i f o o ：j 咣i 九： i l o0 九3 j 其中：j = 初始位置与最后位置的体积比 九= 材料在第1 个方向的拉伸率 在a n s y s 5 7 程序中，假定超弹材料是各向同性的，在每个方向都有完全相同的 材料特性，在这种情况下，既可以根据应变不变量写出应变能密度函数，也可以根据 主拉伸率写出应变能密度函数。应变不变量是一种与坐标无关的应变表示法，使用它 们就意味着材料被假定是各向同性的。根据应变不变量写出来的两常数的m o o n e y r i v l i n 应变能密度函数如下： w = a 。( i 。一3 ) + 。，( i ：一3 ) l o ，a0 1 为材料常数 超弹材料可以承受十分大的弹性变形，百分之几百的应变是很普遍的，既然是 纯弹性应变，因此超弹材料的变形是保守行为，与加载路径无关。 a n s y s 程序中有两类超弹单元，不可压单元有h y p e 5 6 ，5 8 ，7 4 和1 5 8 。 2 2 划分接触单元及点面分析的流程 我们能使用点一面接触单元来模拟一个表面和一个结点的接触，另外，可以通 过把表面指定为一组结点，从而用点一面接触来代表面一面的接触。在a n s y s 程序中 点一面的接触是通过跟踪一个表面( 接触面) 上的点相对于另一表面( 目标面) 上的 线或面的位置来表示的，程序使用接触单元来跟踪两个面的相对位置，接触单元的形 状为三角形，四面体或锥形，其底面由目标面上的节点组成，而顶点为接触面上的节 点。 下面列出了点一面接触分析的基本步骤： ( 1 ) 建模并划分网格 6 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 ( 2 ) 识别接触对 ( 3 ) 生成接触单元 ( 4 ) 设置单元关键字和实常数 ( 5 ) 给定必须的边界条件 ( 6 ) 定义求解选项 ( 7 ) 求解 第1 步：建模，划分网格 在这一步中，论文依据不同密封体的结构，建立代表接触体几何形状的模型， 设置单元类型，实常数和材料特性，用适当的单元类型划分网格； 第2 步：识别接触对 由于几何形状和潜在变形的多样化，可能有多个目标面和同一个接触面相互作 用，在这种情况下，必须定义多个接触对，对每个表面，需要建立一个包含表面节点 的组元。然后就可以使用这些表面结点，在接触面之间形成所有有可能的接触形状。 如果不能肯定某些面永远不会相互接触，那么应该适当包括更多的结点： 第3 步：生成接触单元 在生成接触单元之前，首先必须定义单元类型，对点一面的接触使用c o n t a c 4 8 ( 2 维) 。然后再定义接触单元的实常数，每个不同的接触面应该有一个不同的实常数号， 接着就是在对应的接触对之间生成接触单元。在生成点一面的接触单元时应注意：( 1 ) 生成的接触单元不需超过所需要的2 3 倍，使用“限制半径”( r a d c ) 或“生成的单 元数”( n u m c ) 选项来限制生成的接触单元数，如果生成的接触单元数超过所需的l o 或更多，则会极大增加计算时间，同时也需要大量的硬盘空间。( 2 ) 进行接触分析时 在接触面上建议使用无中结点的单元。( 3 ) 每次在新的接触对之间生成接触单元时， 都指定一个新的实常数号： 第4 步：设置单元关键字和实常数 使用点一面的接触单元时，程序使用四个单元关键字和几个实常数来控制接触 行为 单元关键字： c o n t a c 4 8 使用下面的单元关键字 k e y o p t ( 1 ) ：选择正确的自由度( 包含或不包括温度) k e y o p ( 2 ) ：选择罚函数的方法或罚函数+ 拉格朗日方法 7 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 k e y o p t ( 3 ) ：选择摩擦类型；无摩擦弹性库仑摩擦或刚性库仑摩擦 k e y o p t ( 7 ) ：选择接触时间步预测控制 摩擦类型 点一面接触单元支持弹性库仑摩擦和刚性库仑摩擦，弹性库仑摩擦允许存在粘 合和滑动状态，粘合区被当作一个刚度为k t 的弹性区来处理，在变形期间当接触面 是粘合而不是滑动的时候，选择这种摩擦类型是好的，刚性库仑行为仅仅允许有滑动 摩，而接触面不能粘合，仅仅在两个面处理持续的相对滑动时，才选择这种摩擦类型， 如果运动停止或逆转，将会遇到收敛性的问题。 罚函数与罚函数+ 拉格朗日方法 协调控制方法保证一个面不会渗透进入另一个面超过某一容许量，这可以通过 罚函数方法或罚函数+ 拉格朗日方法来实现，在这种方法中，将有力加在接触结点上， 直到接触结点渗透进入目标面。 实常数 c o n t a c 4 8 使用下面的实常数： k n 定义法向接刚度；k t 定义粘合接触刚度：t o l n 定义最大的渗透容差 f a c t 定义静摩擦与动摩擦的比值t ；o l s 定义一个小的容差以增加目标面的长度 第5 步：加上必要的边界条件 第6 步：定义求解选项 接触问题的收敛性与问题的特殊性有关，下面列出了一些典型的，在大多的点 一面的接触分析中推荐采用的选项。 使用k e y o p i ( 7 ) 来设置合适的时间步长； 时间步长必须是足够小的，如果时间步长太大，接触力的光滑传递将被破坏， 设置一精确的可信方法是打开自动时间步长； 设置一个合适的平衡迭代次数，一个合理的平衡迭代次数通常在2 5 和7 0 之间； 除非在大转动分析中，打开时间步长预测： 设置中顿一拉普森选项到“f u l l ”，同时打开自下降因子； 在接触分析中，许多的不收敛性是由使用了太大的接触刚度( 实常数k n ) 造成 的，如果是这样，减少接触刚度然重启动( 此时必须明确定义切向刚度) ： 相反，如果在接触分析中发生太大渗透，则是使用了一个太小的k n 值，此时， 在下面的几个载荷步中逐步增加k n 的值然后重启动，( 此时也必须明确定义切向刚 r 皇堕圭堂銮望查兰三望堕主堂垡堡墨! 垫茎堑堕墨墨笙差堡茎查婴窒 度) ； 第7 步：求解 求解过程与其它分析过程相同。 接触与超弹分析都属于非线性分析的问题，尽管非线性分析比线性分析变得更 加复杂，但处理基本相同。只是在非线形分析的适当过程中，添加了需要的非线形特 性，如同静态分析，处理流程主要由三个主要步骤组成： ( 1 ) 建模； ( 2 ) 加载且得到解； ( 3 ) 考察结果。 步骤1 ：密封弹性体的建模 非线性分析在这一步中可能包括特殊的单元或非线性材料性质，如果模型中包 含大应变效应，应力一应变数据必须依据真实应力和真实( 或对数) 应变表示。 步骤2 ：加载且得到解 在这一步中，定义分析类型和选项，指定载荷步选项，开始有限无求解。既然 非线性求解经常要求多个载荷增量，且总是需要平衡迭代，它不同于线性求解。处理 过程如下： ( 1 ) 进入a n s y s 求解器 ( 2 ) 定义分析类型及分析选项。分析类型和分析选项在第一个载荷步后( 也就是， 在发出的第一个s o l v l 命令之后) 不能被改变。a n s y s 提供这些选项用于静态分析。 表2 1 分析类型和分析选项 t a b l e 2 一l a n a l y s i st y p e a n a l y s i so p t i o n s o p t i o e c o m i n 锄dq u ip a t h n e wa n a s i sa n t y p ei v l a i nm e n u 8 0 l u t i o r 。- - k n a l y s i st y p e n e w a n a s b r n n a r i a 噼i st y p e ：s n t i c a n t y p ek 4 a i nm e n k s o l u t i o n - a n a 啪bt y p e - n e w a n a l y s i s s a l i c l a r g ed e f o r m a t i o ne f e c l s n l q e o k 4 a i nk 4 e n u 8 0 l 删o n a n a l y s i s o p t i o n s b f e s s8 t i f e n i n 9e f f e c t ss s f l f i n e n o l 咖。府哦n a j y s 碡o 蛐。憾 n e w t o n 。r a p h s o n o p t i o n n r o p t k 4 a i n e n l 肛s o i l i l i o r 凸 憾i 捧bo p t i o n s e q u a t i o ns 0 日e q s l v i nm e n l o l m i o r 潍怕b o p t i o n s 选项：分析( a n t y p e ) 一般情况下会使用n e wa n a l y s i s ( 新的分析) ；分析类型： 静态( a n t y p e ) 选择s t a t i c ( 静态) ；大变形或大应变选项( g e o m ) 注意并不是所有 的非线性分析都将产生大变形：应力刚化效应( s s t i f ) 如果存在应力刚化效应选择 9 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 o n ：牛顿一拉普森选项( n r o p t ) 。 一种近似的非线性求解是将载荷分成一系列的载荷增量。可以在几个载荷步内 或者在一个载步的几个子步内施加载荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行 下一个载荷增量之前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。但是纯粹的增 量近似不可避免地随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终失去平衡，如图4 ( a ) 所示所示。 f ( a ) 纯粹增量式解( b ) 全牛顿一拉普森迭代求解( 2 个载荷增量) 图2 - 1纯粹增量近似与牛顿一拉普森近似的关系 f i 9 2 1a p p r o x i m a t er e l a t i 0 1 3b e t w e e nn e ti m p r o v e m e n ta n dn r o p t a n s y s 程序通过使用牛顿一拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载 荷增量的末端解达到平衡收敛( 在某个容限范围内) 。图2 1 ( b ) 描述了在单自由度 非线性分析中牛顿一拉普森平衡迭代的使用。在每次求解前，n r 方法估算出残差矢 量，这个矢量是回复力( 对应于单元应力的载荷) 和所加载荷的差值。程序然后使用 非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载 荷，修改刚度矩阵，获得新解。持续这种迭代过程直到问题收敛。 步骤3 ：考察结果 利用通用后处理器进行各种结果考察、处理。 0 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 2 3 锥形组合结构a ( 弹簧位于内圈) 的有限元模型与分析 2 3 1 有限元建模 图2 - 2 几何模型图 f i 9 2 2g e o m e t r ym o d e l 图2 - 3 单元模型图 f i 9 2 3 o n i tm o d e l 封隔器弹性体为对称结构，采用二维图形，如图2 2 为简化的封隔器密封体几 何图形( 从中心轴取对称的一半) ，图右边为密封弹性体组合结构，未工作时与左边 的套管内壁有一定的距离。从图2 2 看到弹性体是有3 块组合，弹簧位于这些组合弹 性体之间的内侧，非常窄小，图中不便表示出，但在有限元分析时利用不同的单元， 在图2 - 4 和2 - 5 中可清楚地看到密封体组合块之间的根部应力分布不同于弹性密封 体。 封隔器弹性体橡胶采用超弹单元h y p e r 5 6 或h y p e r 7 4 ；套管和金属隔环采用 p l a n e 4 2 单元；金属与橡胶之间的接触采用c o n t a c 4 8 单元模拟。单元划分如图 2 3 所示。 密封体参数由手册提供。材料常数c 1 = 1 9 8 1 4 2 9 m p a ，c 2 = o 0 9 9 0 7 1 m p a 。泊 松比= o 4 9 ，硬度h s = 9 0 。 套管和金属隔环按线弹性材料处理，弹性模量2 1 1 0 5 m p a ，泊松比为0 3 。 2 3 2 边界条件 密封弹性体的左下部是不动的，x 方向只会向套管内壁发展直到接触，存在约 束，其固定端( 下端) 在x ，y 方向上都加以约束：上端没有约束。套管假定不动； 接触单元摩擦力按静摩擦力考虑，摩擦系数为0 4 。外力主要考虑封隔器通过管柱向 下压的坐封力。坐封状态分析后在封隔器上下不断施加逐渐增大的密封压差( 加载) 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隅器系统关键技术研究 逐步分析。 2 3 3 应力分析研究 从中心管柱下压的力达到1 0 吨时，弹性体接触套管，形成完全密封，说明坐封 力为1 0 吨。图2 4 为胶筒坐封时的应力分布图，图2 5 为压差为4 0 m p a 时的应力分 布图。摘取这两个典型状态，实际模拟时从坐封膨胀，一直不停施加压差( 加载) ， 当加到压差5 5m p a 时，接触应力虽然很大( 说明密封效果好) ，但弹性体本身开始发 生剪切破坏而流出密封腔体，说明这种结构和材料的密封能力最大为5 5m p a 。此外 从表2 2 或图2 7 可以看出应力的分布不对称，特别是y 方向的两端，不十分理想， 结果是影响封隔器寿命。 图2 6 和图2 7 分别为坐封时的接触应力分布曲线和承受4 0 m p a 压差时接触应 力分布曲线，表2 - 2 为两条接触应力曲线对应的数据。 图2 - 4 胶筒坐封时接触应力分布图2 - 54 0 m p a 压差时的接触应力分布 f i 船- 4r u b b e ri n f l a t i n gs t r e s sd i s t r i b u t i n gf i 9 2 - 54 咖p ap r e s s u r eg a pc o n t a c ts t r e s sd i s t r i b u t i n g 图2 - 5 胶筒坐封时接触应力分布曲线 f i 9 2 6r u b e ri n f l a t i n gc o n t a c ts t r e s s 图2 - 74 0 m p a 压差时接触应力分布曲线 f i 9 2 74 0 i p ap r e s s u r eg a pc o n t a c ts t r e s s 表2 2 锥形组合结构( a ) 接触应力表 t a b l e 2 2a w lm o d e l ( a ) s t r u c t u r ec o n t a c ts t r e s s 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 2 7 6 8 6 2 0 e 0 2 2 4 3 e - 0 2- 7 6 6 8 7一1 4 0 e + 0 7 2 86 76 2 0 e 0 22 9 2 e 0 23 7 0 7 9 2 2 9 e + 0 7 2 96 96 2 0 e - 0 21 9 5 e 0 27 5 2 1 7一1 6 7 e + 0 7 3 07 06 2 0 e - 0 2i 4 6 e - 0 28 4 3 2- 2 5 4 e + 0 7 3 17 16 2 0 e - 0 29 7 3 e - 0 31 0 7 e + 0 51 1 3 e + 0 7 2 4 锥形组合结构b ( 弹簧位于胶筒外圈) 有限元模型与分析 2 4 1 有限元建模 图2 - 8 几何模型图 f i 9 2 8g e o m e t r ym o d e l 图2 - 9 单元模型图 f i 9 2 9u n i tm o d e l 弹性密封体的结构有些类似于第一种，不同的是金属隔环位置外移在弹性组合 体结合处的外侧，由于封隔器弹性体本身是个对称的结构，简化的几何模型如图2 8 ， 是取对称的半结构，采用二维结构，在未坐封时弹性体与外边的套管内壁有一定距 离。对应划分的单元模型如图2 0 。 封隔器弹性体橡胶采用超弹单元h y p e r 5 6 或h y p e r 7 4 ；套管和金属隔环采用 p l a n e 4 2 单元；金属与橡胶之间的接触采用c o n t a c 4 8 单元模拟。单元划分如图 2 3 所示。 密封体参数由手册提供。材料常数c 1 = 1 9 8 1 4 2 9 m p a ，c ：= 0 0 9 9 0 7 1 m p a 。泊 松比z = o 4 9 ，硬度h s = 9 0 。 套管和金属隔环按线弹性材料处理，弹性模量2 1 1 0 5 m p a ，泊松比为0 3 。 申请上海交通大学工程硕士学位论文：油井封隔器系统关键技术研究 2 4 2 边界条件 同2 3 节中的结构，密封体的下端固定没有自由度，可以向径向有限扩张。逐渐 从y 方向上方加载压缩密封体，使其膨胀接触套管壁被限制。接触单元摩擦力按静摩 擦力考虑，摩擦系数为0 4 。外力主要考虑封隔器通过管柱向下压的坐封力。坐封状 态分析后，在封隔器上下不断施加逐渐增大的密封压差( 加载) 逐步分析。 2 4 3 应力分析研究 从中心管柱下压的力达到1 0 吨时，弹性体完全接触套管，形成完全密封，说明 坐封力为1 0 吨。图2 4 为胶筒坐封时的应力分布图，图2 - 5 为压差为4 0 m p a 时的应 力分布图。摘取这两个典型状态，实际模拟时从坐封膨胀，一直不停施加压差( 加载) ， 当加到压差6 0m p a 时，接触应力虽然很大( 说明密封效果好) ，但弹性体本身开始发 生剪切破坏而流出密封腔体，说明这种结构和材料的密封能力最大为6 0m p a ，比前 一种结构密封能力稍强。此外从表2 1 0