封隔器胶筒结构改进及优势分析.pdf

2 0 1 3 年第4 2 卷 石油矿场机械 第1 期第6 2 页 O I L F I E L DE Q U I P M E N T 2 0 1 3 4 2 1 6 2 6 6 oo 文章编号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 3 0 1 0 0 6 2 0 5 封隔器胶筒结构改进及优势分析 张辛 徐兴平 王雷 中国石油大学 华东 机电工程学院 山东青岛2 6 6 5 8 0 摘要 井下用封隔器的关键部件为弹性密封元件 胶筒 其结构影响到封隔器的密封性能 由于传 统的封隔器结构为三胶筒 浪费材料 装配复杂 对胶筒结构进行改进 在精简胶筒数量的基础上 增加了1 层紫铜包络层 采用非线性有限元分析方法 对传统胶筒结构和改进型胶筒结构的对比 分析发现 改进型结构上胶筒起主要密封作用 接触应力比传统胶筒结构有明显提高 验证了改进 型结构的可行性 关键词 封隔器胶筒 改进 接触应力 有限元分析 中图分类号 T E 9 3 1 2文献标识码 B A n a l y s i so fC o m p a r a t i v eA d v a n t a g ea n dS t r u c t u r eI m p r o v e m e n to fP a c k e rR u b b e r Z H A N GX i n X UX i n g p i n g W A N GL e i C o l l e g eo fE l e c t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m Q i n g d a o2 6 6 5 8 0 C h i n a A b s t r a c t T h ee l a s t i cp a c k i n ge l e m e n ti st h ek e yp a r to fad o w n h o l ep a c k e r w h o s es t r u c t u r ea f f e c t s t h es e a l i n ga b i l i t yo ft h ep a c k e r T h ec o n v e n t i o n a lp a c k e re l e m e n t ss t r u c t u r ec o n t a i n st h r e ee l e m e n t s w h i c hm a k eaw a s t eo fm a t e r i a l sa n dc o m p l e xa s s e m b l y A i m i n ga tt h i si s s u e t h ee l e m e n t s s t r u c t u r eh a sb e e ni m p r o v e d O nt h eb a s i so fr e d u c i n gt h en u m b e ro fp a c k e re l e m e n t s t h er u b b e r i sw r a p p e db yl a y i n gr e dc o p p e r T h et r a d i t i o n a lp a c k e re l e m e n t ss t r u c t u r ea n dt h ei m p r o v i n g s t r u c t u r eh a v eb e e na n a l y z e da n dc o m p a r e d T h ea n a l y s i sr e s u l ts h o w e dt h a tt h eu p p e rp a c k e re l e m e n to ft h ei m p r o v i n gs t r u c t u r ep l a y e dal e a d i n gs e a l i n gr o l e a n dt h ec o n t a c ts t r e s sh a das i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ls t r u c t u r e S ot h ef e a s i b i l i t yo fi m p r o v e m e n ti s v e r i f i e d K e yw o r d s p a c k e r p a c k e re l e m e n t s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t 封隔器胶筒是通过轴向压缩力紧贴在封隔器套 管壁上起密封作用 其密封性能直接制约使用性能 胶筒与套管接触所产生的接触应力是胶筒承受工作 压差的必要条件 1 胶筒的形状优化设计影响着其 密封性能嘲 是设计者密切关注的问题 不少学者 已经对其实物的力学试验跏 有限元数值模拟 封 隔器与管柱之间的力学关系i 等进行了大量研究 对封隔器的结构优化以及接触应力的分布关系得出 了初步的结论 6 I 研究接触应力与胶筒外形及结构 参数之间的关系 对理论上认清胶筒的密封机理和 收稿日期 2 0 1 2 0 71 7 基金项目 国家重大专项课题 2 0 1 1 Z X 0 5 0 3 8 0 0 2 中国石油大学 华东 自主创新科研计划项目 连续管钻井力学分析及 配套工具研究 1 2 C X 0 6 0 6 2 A 作者简介 张辛 1 9 8 7 一 女 山东泰安人 博士研究生 主要从事钻井用连续管的力学分析与研究 E m a i l z x i n 0 9 2 7 1 6 3 c o m 万方数据 第4 2 卷第l 期张辛 等 封隔器胶筒结构改进及优势分析 胶筒密封的可靠性具有重要意义H 8 笔者对常用 的封隔器胶筒的结构进行了改进 把三胶筒结构简 化为双胶筒 对工作过程进行有限元分析 对其受力 过程中接触应力的变化 9 1 和分布规律进行了详细研 究 并与常规结构进行比较分析 结果表明改进型结 构具有显著的优势 l 有限元模型的建立 常用的封隔器上串有3 个胶筒 1 分为上 中 下3 个胶筒结构尺寸相同和上下胶筒为长胶筒 中 胶筒为短胶筒2 种结构形式 1 川 通过对传统三胶 筒结构的研究发现 起主要密封作用的是上胶筒 为了节省材料 降低制造工艺难度 笔者对传统三胶 筒结构进行简化 将封隔器结构改进为双胶筒结构 由于封隔器的本体和胶筒为柱和筒结构形式 利用轴对称条件口23 对其简化 胶筒的结构和有限元 网格划分如图1 所示 上 下2 个胶筒长度均为8 0 m m 橡胶材料 外层包络1 层紫铜 紫铜厚度为2 m m 胶筒采用5 0 倾角 直边长8m m 斜边长1 1 m m 直边与斜边比为0 7 3 既 豳 刑性隔土1 紫铜 胶筒 套管 卜皎筒 中心管 图1改进型封隔器结构及网格划分 封隔器在进行有限元分析时 有3 种不同性能 的材料 胶筒为橡胶材料 属高度非线性复合材 料 1 外包络紫铜 隔环 中心管 套管为金属材料 胶筒需要用单轴拉伸 等双轴拉伸 剪切试验得 到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲线拟合 进而选择合适的超弹性材料模型 本文采用超弹性 材料模型 M o o n e yR i v l i n 模型 1 胡计算 根据经 验公式确定模型参数 超弹性材料M o o n e yR i v l i n 常数C 1 一1 8 7 C 一0 4 7 密度为15 0 0k g m 3 A b a q u s 中默认超弹性材料不可压缩 默认泊松比为 0 4 7 5 1 引 紫铜材料密度为78 3 0k g m 3 弹性模量1 1 9 1 0 jM P a 泊松比0 3 6 金属材料密度78 5 0k g m 3 弹性模量2 0 6 1 0 jM P a 泊松比0 3 胶筒采用4 节点C A X 4 R H 单元划分网格 中 心管 套管和隔环采用C A X 4 R 划分网格 考虑接触时的摩擦因数 橡胶自接触以及橡胶 与隔环 橡胶与套管之间的接触摩擦因数取为0 3 隔环与中心套管之间的摩擦因数定为0 1 约束条件 模型最下面隔环 中心管下端 套管 下端节点施加竖直方向的约束 套管外层施加水平 方向的约束 施加载荷 最上面刚性隔环上施加坐封力 为均 布压力作用 2 有限元软件模拟及结果分析 橡胶属于高度非线性复合材料 在连续介质力 学中将橡胶材料称作超弹性材料 因此用非线性有 限元分析软件A b a q u s 进行非线性分析 16 1 计算时 取工作压力为5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0M P a 采用逐步加 载的方式进行迭代计算 胶筒变形及V o nM i s e s 应力云图如图2 3 所示 由分析结果可知 随着轴向载荷增大 轴向压缩 量也增大 开始时压缩量增大较明显 随后压缩量增 大变缓 胶筒变形趋于稳定 随着坐封力的增大 胶 筒与套管接触长度逐渐增加 胶筒外表柱面部分径 向变形受限制 胶筒内表面变形如外表一样向外鼓 当载荷增加时胶筒被压扁并在最后压实 但由于结 构限制 只有上胶筒能够被压实 在工作压力为3 0 M P a 时 上胶筒基本完全压实 胶筒上端出现轻微 肩突 但未发生胶筒割裂现象 肩突在允许范围 之内 飘鬻阁酬剥 荆潮鞲溺潍瓣 蒙豁甄翟鬟搁 黜瓣黼黼粼剿瓣瓣瓣黧熬鬃鹳麴 匦苴H蹲附譬 万方数据 行油矿场机械 2 0 1 3 年1 月 山 羔 R 毪 蓬 楚 b3 0M P a 图2 封隔器胶筒应力云图 2 04 06 0 轴向距离I m m a 上胶筒 8 0 02 04 06 0 轴向距离 m m b 下胶筒 图3 胶筒接触应力分布 由图2 3 可知 工作压力为3 0M P a 时 上胶 筒最大接触应力为2 5 5M P a 下胶筒最大接触应力 为5 4M P a 上胶筒的接触应力为下胶筒的4 倍多 因此上胶筒起主要坐封作用 3 改进型封隔器较常规封隔器的优势分析 3 1 结构 改进型封隔器与常规封隔器在结构模型上的区 别在于 改进型封隔器为上 下2 个胶筒 且橡胶外 面包络1 层厚2m m 的紫铜 两胶筒较之于三胶筒 一方面节省了材料 另一方面因为上下胶筒为同结 构胶筒 而减少了制造工艺 同时也使封隔器结构简 单 装配简化 3 2 密封性能 封隔器密封性能的好坏 关键在于胶筒与套管 内径之间接触应力的大小 在同样的坐封力下 接 触应力越大 密封性能越好 施加工作压力5 3 0M P a 时 分别对两者接触 应力进行比较 如图4 所示 通过比较发现 在轴向距离较小时 常规胶筒的 接触应力略大于改进型胶筒 这是因为紫铜材料的 硬度大于橡胶 当轴向距离增大 紫铜随着橡胶被压 缩直到被压实紧贴在套管内壁 接触应力就远大于 常规胶筒 密封性能也就更好 2 04 06 0 轴向距离 r a m 2 04 06 0 轴向距离 m m c1 jM P a 均 钙 怕坨蛇u 群蕾H蘑慝匿 拍拼丝加掩MM挖m o 0 4 2 o O 5 0 5 0 5 O 5 0 5 0 5 6 5 5 4 4 3 3 2 2 l 0 万方数据 第4 2 卷第1 期张辛 等 封隔器胶筒结构改进及优势分析 L 岂 R j 藿 趟 山 至 q j 藿 鲻 2 04 06 0 轴向距离h u m 8 0 2 04 06 0 轴向距离 r a m e2 5M P a 8 0 2 04 06 0 轴向距离 r a m 图42 种封隔器上胶筒接触应力分布 8 0 改进型封隔器工作压力为2 5M P a 时 上胶筒 的最大接触应力超过2 0M P a 而常规的封隔器在相 同的条件下 接触应力 1 4M P a 工作压力为3 0 M P a 时 常规封隔器只有1 8M P a 的接触应力 而改 进型封隔器的接触应力可以达到2 5M P a 因此改进 型封隔器有一定的可行性 3 3 不等长双胶简封隔器的设计分析 对于改进型的双胶筒的封隔器 当2 个胶筒不 等长 上胶筒采用原设计长度8 0m m 下胶筒采用 7 0m m 施加工作压力5 1 0 1 5 1 6M P a 时 胶筒 应力云图如图5 所示 由图5 可知 所设计的这种 封隔器最多只能承受1 6M P a 的轴向力 没有等长 度胶筒所承受的力大 但却比其压缩得好 在1 0 M P a 的轴向力下 上胶筒已经完全压实 到15M P a 时 下胶筒基本已经压实 群懑t 9 1 泌l c O 辟也 3 9 3 3 e 川 0 群粼 殴 9 鬻7 7 7 e 墓 8 1 6 7 e 0 l 7 4 8 6 e 0l 6 8 0 0I 6 1 2 5 e 0 l 5 4 4 4 e 0 1 4 7 6 4 e 0l 40 8 3 H 0 l 34 0 3 H 0 l 8 2 7 2 2 e O1 10 4 2 e 0 l l3 6 le O l 68 0 6 e 0 0 91 5 le0 4 d16M P a 图5不等长胶筒应力云跨 爵囝 工圆圈譬 543 Z i09876543 Z 0 O 8 6 4 2 O 8 6 4 2 驼 晒 臻骋 昵H硝卯跖们 爵臣日匮I辱 吐蹲蹲睦 拍M控加他MM他m86420 万方数据 6 6 石油矿场机械2 0 1 3 年1 月 改进型封隔器胶筒接触应力分布如图6 所示 可知 这种上 下胶筒不等长的改进型封隔器在1 6 M P a 的轴向压力下 其接触应力已高达2 8M P a 比 胶筒等长度时大很多 密封性能也较之更好 因为 此种结构的封隔器所承受的轴向压力最多只有1 6 M P a 如果工作条件限制在1 6M P a 以内 采用这种 结构密封更好一些 但如果轴向力要求较高 则应该 选用等长度的双胶筒型封隔器 其密封性能也很可 靠 而且加工更简单一些 日 o 皇 R 目 藿 鲻 7 日 6 塞5 R4 墓 鲻 轴向距离 r a m b 下胶筒 图6改进型封隔器胶筒接触应力分布 4结论 1 将传统的三胶筒结构减少至双胶筒 在节 省材料的同时减少了制造工艺 也使封隔器结构简 单 装配简化 2 上胶筒与套管壁接触应力为下胶筒的4 5 倍 起主要密封作用 3 通过比较发现 改进型双胶筒结构接触应 力远大于常规胶筒 密封性能也更好 改进型封隔 器有一定的可行性 4 上下胶筒不等长的双胶筒结构 最大只能 承受约1 6M P a 的工作压力 但是其接触应力较等 长结构大 因此工作压力 1 6M P a 时 采用不等长 结构密封效果更好 参考文献 1 李晓芳 杨晓翔 王洪涛 封隔器胶筒接触应力的有限 元分析 J 润滑与密封 2 0 0 5 9 5 9 09 2 2 陈健 田播源 刘玉文 压缩式封隔器胶筒失效因素 分析及措施口 科技资讯 2 0 1 0 3 1 8 0 一8 2 3 刘天良 施纪泽 封隔器胶筒对套管接触应力模拟试验 研究E J 石油机械 2 0 0 1 2 9 2 1 0 1 1 4 周先军 平利 季公明 封隔器胶筒接触应力分布有 限元计算 J 钻采工艺 2 0 0 2 2 5 4 5 15 2 5 李旭 窦益华 压缩式封隔器胶简变形阶段力学分析 J 石油矿场机械 2 0 0 7 3 6 1 0 1 7 1 9 6 T r i o l oMT A n d e r s o nLF S m i t hMV R e s o l v i n gt h e C o m p l e t i o nE n g i n e e r SD i l e m m a P e r m a n e n to rR e t r i e v a b l eP a c k e r G S P E7 6 7 1 1 2 0 0 2 2 0 一2 2 7 3 R u n eF r e y e r A r v eH u s e S w e l l i n gP a c k e rf o rZ o n a lI s o l a t i o ni nO p e nH o l eS c r e e nC o m p l e t i o n s G S P E 7 8 3 1 2 2 0 0 2