封隔压差与间隙对封隔器胶筒性能的影响.pdf

年 月 第 卷 第 期 润滑与密封 基金项目 教育部重点实验室项目 四川 省科 技 计 划 项 目 四 川 省 科 技 计 划 项 目 四川省教育厅科研项目 收稿日期 作者简介 黎伟 男 博士 讲师 研究方向为井下 工具设计及仿真分析 封隔压差与间隙对封隔器胶筒性能的影响 黎 伟 雷鸿翔 袁圣桐 杨 牧 宋 伟 西南石油大学机电工程学院 四川成都 摘要 为探讨封隔压差和封隔间隙对封隔器胶筒封隔性能的影响 应用有限元分析软件 研究不同封隔压差和间 隙下胶筒的 应力分布 胶筒与套管壁间接触应力的分布以及胶筒的变形情况 结果表明 随着封隔压差的 增大 胶筒上端部的 应力值不断增大 胶筒失效的可能性增加 但胶筒与套管壁的接触应力值增大 胶筒 的封隔能力增强 随着封隔间隙的增大 胶筒上端 应力值增大 胶筒剪切失效的可能性增加 且胶筒与套 管壁的接触应力减小 胶筒的封隔能力下降 设计出一种蜗形状防突装置 分析其对胶筒封隔性能的影响 结果表 明 蜗形保护环能有效地防止胶筒端部突出 且胶筒的应力分布更均匀 胶筒与套管壁间的接触应力值更大 提高了 胶筒的封隔能力 关键词 胶筒 压差 封隔间隙 接触应力 蜗形保护环 中图分类号 文献标志码 文章编号 封隔器广泛应用于钻井 固井 测试 完井等作 业中 胶筒犹如封隔器的心脏 其力学性能直接影 响封隔器在井下的密封效果 压缩式胶筒是在轴向 载荷作用下 产生轴向压缩和径向膨胀填充油管和套 管之间的环型空间 胶筒与套管壁之间产生接触应 力 从而起到封隔不同层段流体和防止不同层段压力 相互干扰等作用 近年来国内外不少学者对封隔器 胶筒的密封性能和失效因素进行了研究 如刘永辉 等 分析了加载方式 摩擦因数以及橡胶硬度等对胶 筒接触应力的影响 李晓芳等 在 有限元分 析软件中选用 模型对封隔器压缩式胶筒的接触 应力进行了数值模拟 彭惠芬等 应用 软件 分析了不同温度下受压封隔器胶筒应力和变形沿筒长 分布规律 杨志鹏等 利用试验装置研究胶筒在不同 坐封力及工作压差下的肩部突出变形 而作为封隔器 封隔环空的 个重要指标 封隔压差和封隔间隙对封 隔器胶筒的影响规律 国内却少有学者进行研究 图 是封隔器胶筒坐封前后的示意图 在胶筒坐 封前 胶筒上端的压力 约等于下端的压力 上 下两端无压差作用 如图 所示 当胶筒坐封 后 胶筒上端的压力 保持不变 但胶筒下端的压 力在地层压力的作用下将持续上升 直到等于地层压 力 在下端压力的变化工程中 胶筒上下两端产生压 差 且压差不断变化 胶筒封隔压差的变化将会导致 胶筒的受力和变形跟随变化 胶筒的封隔能力也将受 到影响 在相同的工作条件下 封隔器的封隔间隙 不同 间隙不同 在相同坐封载荷下 封隔器胶筒的 受力 变形和封隔能力也将不同 图 封隔器坐封过程 本文作者利用 软件 在施加相同坐封 载荷下研究不同封隔压差和封隔间隙对胶筒的 应力分布 胶筒与套管壁间的接触应力分布以 及胶筒变形的影响规律 同时设计了一种蜗形保护 环 对比分析了有 无保护环的胶筒坐封后的应力分 布及封隔能力 以期为封隔器的设计和现场使用提供 理论指导 有限元模型的建立 数学模型 封隔器胶筒的几何形状 约束状况以及所受的外 来因素都关于 轴对称 所以它的应力 形变和位 移也对称于 轴 胶筒所有的应力分量 形变分量 和位移分量都将只是 和 的函数 不随 变化 因 此可将胶筒随坐封载荷的变形计算简化为轴对称问 题 图 所示为胶筒三维实体模型 从胶筒上取的 微元体 微元体在 个方向所受正应力的 情况如图 所示 图 胶筒三维实体模型 图 胶筒微元体受力 轴对称问题的平衡微分方程 如下 式中 为径向正应力 为环向正应力 为轴 向正应力 为沿 方向切应力 为径向体力 为轴向体力 轴对称问题的物理方程为 式中 为环向应变 为径向应变 为轴向应 变 切应变 为弹性模量 泊松比 胶筒材料本构模型 封隔器胶筒的材料属于橡胶 橡胶材料是一种高 度非线性的材料 同时胶筒封隔环空还具有几何非线 性和接触非线性 本文作者在分析胶筒变形时做了如 下假设 胶筒材料具有确定的弹性模型和泊松 比 胶筒材料的各向同性 胶筒被挤压时 体积不变 胶筒与其他部件的接触边界不可穿 越 模型 模型和 模型等 应变能函数常被用于模拟橡胶的力学行为 本研究作 者选用的是 模型 此模型能描述橡胶材料随变 形而变化的剪切模量 由简单变形试验数据拟合的参 数可以用来预测其他变形的力学行为 描述的变形范 围也较宽 适合于计算大变形 表示 模型的三 次应变能函数为 年第 期黎 伟等 封隔压差与间隙对封隔器胶筒性能的影响 式中 为第一变形张量不变量 和 是 模型材料参数 图 示出了橡胶材料拉伸实验数据拟合曲线和 模型曲线的匹配 可以看出 模型的曲线 和实验数据曲线的重合度较高 因此 模型可以 较准确地模拟橡胶的力学行为 图 测试数据和 模型应力应变曲线的匹配 有限元前处理 通过 软件建立中心管 胶筒 套管 胶筒上挡环和下挡环的轴对称模型 因中心管 套管 以及胶筒上下挡环不是本文作者的研究对象 且其材 料为钢质 其刚度远大于橡胶的刚度 可忽略其变 形 为了减少计算量将其设置为离散刚体 用来模拟 橡胶力学特性的 模型的材料参数 取 取 取 在胶筒上挡环施加坐封载荷 胶筒下端施加封隔压差 对中心管 胶筒下挡环和套 管施加固定约束 胶筒与套管间 胶筒和上下挡环间存在接触关 系 在接触问题的有限元分析中 除了常规的弹塑性 有限元问题的位移和力边界条件外 还需接触边界条 件 接触条件包括 种状态 即分离 黏合和滑动 对于黏合和滑动状态接触面的位移必须满足非穿透条 件 式中 为接触体间相对变位矩阵 为接触面法 线向量 为初始接触间隙 接触面之间的相互作用包含 部分 接触面的法 向作用 接触面的切向作用 切向部分包括接触面间 的滑动摩擦力 仿真分析时使用一个允许 弹性滑动 的罚摩擦公式 建立胶筒和套管以及上 下挡环间的接触对 定义胶筒与其接触面的摩擦因数 为 对胶筒的模型进行网格划分 如图 所示 对倒角处和接触面的网格进行加密处理 网格数量为 个单元 单元类型为四结点双线性轴对称杂交 四边形单元 图 网格模型 结果及分析 是一种等效应力 它用应力等值线来 表示模型内部的应力分布情况 它反映的是截面的 个主应力差值的大小 它的表达式为 式中 是第一主应力 是第二主应力 是第 三主应力 对于橡胶材料 应力值越大 越会加 速胶筒材料的松弛 造成刚度下降 胶筒容易出现裂 纹甚至被剪断 接触应力反应的是胶筒的封隔能力 接触应力就越大 胶筒的封隔能力越强 压差对胶筒封隔性能影响 设定封隔间隙为 通过对胶筒上挡环施加 的坐封载荷 改变封隔压差 研究了封隔压差 对胶筒封隔性能的影响 图 是不同压差下胶筒 应力云图 可以看出 当封隔压差 时 胶 筒坐封后 上下端都被挤压外突 上下肩部都出现了 应力集中 随着封隔压差的增加 下端压强大于上 端 胶筒的下端在压差的作用下外突部分被向上压 回 胶筒下端的突出部分逐渐消失 但胶筒上端突出 更为严重 当存在一定封隔压差后 胶筒 应 力较大的地方主要分布在上端部 个位置 胶筒肩 部与上挡环的棱角接触处 和胶筒上端部与套管接 触处 如图 中放大部分 所示 润滑与密封第 卷 图 不同封隔压差下 应力云图 胶筒在坐封载荷的作用下轴向被压缩 径向膨胀 从而封隔环空 封隔器封隔的压差不同 胶筒的压缩 距有微小的变化 从图 可看出 随着封隔压差的增 大 胶筒的压缩距逐渐减小 这是因为在封隔压差的 作用下 胶筒被向上回压 图 压缩距与封隔压差的关系曲线 胶筒与上挡环的棱角接触处 的受力最恶 劣 应力值最大 在无防突结构的情况下 此处最易发生失效 从图 可以看出 随着封隔压差 的增加 胶筒受压差向回挤压的作用 胶筒上肩部被 挤压的程度越大 其应力值在加速增加 当封隔压差 过大时 胶筒的端部将产生裂纹甚至被剪断 如图 所示 由于肩部 过大 胶筒肩部被剪断 失效 图 最大 应力与封隔压差的关系曲线 年第 期黎 伟等 封隔压差与间隙对封隔器胶筒性能的影响 图 肩部被剪断的胶筒 图 示出了不同压差作用下胶筒表面的接触应 力云图 图 示出了胶筒与套管壁接触面的接触应 力分布曲线 从图 中可以看出 封隔压差越 大 接触应力越大 封隔能力越强 这是由于在压差 作用下挤压胶筒使得胶筒与套管壁贴合得更紧 当封 隔压差较小时 胶筒上部的接触应力大于下部 此时 胶筒主要依靠上部分进行密封 从下至上接触应力缓 慢上升 这是因为胶筒的初始压缩是固定下挡环 推 动上挡环向下压缩胶筒 胶筒的上端受挤压程度更 大 与套管壁贴合更紧密 随着封隔压差的增大 因 压差对胶筒下端部作用增强 下部分的接触应力逐渐 增大 使得下端的接触应力大于上端 此时胶筒主要 靠下部分进行密封 图 接触应力与封隔压差的关系曲线 图 不同封隔压差下胶筒接触应力分布 封隔间隙对胶筒性能影响 设定封隔压差为 通过对胶筒上挡环施 加 的坐封载荷 改变封隔间隙 研究了不同 封隔间隙对封隔器胶筒性能的影响 图 是不同封 隔间隙下胶筒的 应力云图 可以看出 当 封隔间隙较小时 因封隔压差作用的面积小 胶筒下 端被回压的程度小 随着封隔间隙的增大 胶筒下端 受封隔压差的作用面积也随之增大 胶筒下端被向上 回压的距离也随之增大 因封隔间隙增加 需要填充 的封隔间隙的胶筒量增多 在相同载荷的作用下 随 着封隔间隙的增大 胶筒的压缩距在不断增大 如图 所示 润滑与密封第 卷 图 不同封隔间隙下胶筒的 应力云图 图 压缩距与封隔间隙的关系曲线 图 示出了不同封隔间隙下胶筒肩部最大 应力随间隙变化的曲线 可以看出 封隔间隙 越大 因胶筒的压缩距增加 胶筒被压缩的程度越 大 同时胶筒下端部受压差作用的回压力越大 胶筒 的最大 应力呈直线上升 胶筒封隔间隙越 大 胶筒在此处的受力越恶劣 胶筒在肩部被剪断的 可能性越大 图 最大 应力与封隔间隙的关系曲线 图 示出了不同封隔间隙下胶筒与套管壁的接触 应力分布情况 可以看出 在相同坐封载荷 相同封 隔压差作用下 从胶筒下端至上端接触应力呈上升趋 势 最大接触应力出现在胶筒的上端部 封隔间隙小 对应的接触应力曲线在封隔间隙大对应的曲线之上 即随着封隔间隙的增大 在相同坐封载荷下 胶筒的 接触应力减小 胶筒的封隔能力越差 从图 中还可 看出 封隔间隙增大 胶筒被压缩的距离越大 胶筒 的封隔宽度变得越窄 封隔能力进一步下降 图 接触应力与胶筒封隔间隙的分布曲线 防突装置设计 通过以上分析可以看出 在封隔压差与封隔间隙 较大工况下 胶筒上肩部 应力较大 胶筒 在此处易被剪切失效 当胶筒在此工况下使用时需要 增加防突机构保证胶筒的封隔性能和延长胶筒的使用 寿命 本文作者设计了一种蜗形保护环 保护环安装 在胶筒的上端部 将胶筒上部罩住 如图 所示 保护环未变形前 有部分重叠 当胶筒被压缩时 胶 筒向四周膨胀对保护环内环产生作用力 从而推动保 护环向四周扩张 保护环向外扩张的过程中直径变 大 重叠部分不断对周向进行补偿 从而保证胶筒被 年第 期黎 伟等 封隔压差与间隙对封隔器胶筒性能的影响 压缩后保护环仍能完全对胶筒的四周起到保护防突作 用 图 是保护环变形示意图 当封隔器解封后 胶筒回缩 保护环在自身弹力作用下恢复原形 图 蜗形保护环与胶筒 图 保护环变形示意图 图 示出了无保护环和带保护环胶筒压缩后 应力的分布情况 可以看出 无保护环时 胶筒肩部向外突出 此处应力集中较为严重 最大值 达到 而其他部分应力值较小 大部应力值 在 之间 整个胶筒的受力极不合理 增加 保护环后 保护环有效地防止胶筒肩部突出 此处应 力集中消失 最大应力出现在胶筒左下部位 最大应 力值降至 整个胶筒的应力分布较均匀 大 部分应力值在 之间 图 应力对比 图 示出了胶筒与套管壁的接触应力分布曲线 可以看出 增加保护环后 接触应力值更大 有效地 提高了胶筒的封隔能力 图 接触应力对比 结论 胶筒在坐封过程中 随着封隔压差的增大 胶筒上端部的 应力值不断增大 胶筒失效 的可能性增加 同时胶筒与套管壁的接触应力值增 大 胶筒的封隔能力随封隔压差的增大得到增强 封隔器封隔间隙越大 胶筒上端 应力值越大 胶筒越可能在此处剪切失效 且胶筒与 套管壁的接触应力越小 胶筒的封隔能力越弱 设计的蜗形保护环能有效地防止胶筒端部 突出 改善了胶筒的 应力分布 提高胶筒 的封隔能力 参考文献 伍朝东 何祖清 叶峰 等 封隔器工作性能试验研究 石 油矿场机械 侯宗 毛道华 朱建民 等 封隔器压缩胶筒 防突 新结构 石油机械 于桂杰 李长江 孙宝全 等 压缩式封隔器异型胶筒密封性 能分析 润滑与密封 刘永辉 付建红 林元华 等 封隔器胶筒结构参数优化分析 机械工程师 下转第 页 润滑与密封第 卷 陈策 轴承 转子系统非线性动力学行为及其耦合调频技术 研究 北京 中国科学院工程热物理研究所 韩东江 杨金福 陈昌婷 等 轴承供气压力对静压气体轴承 转子系统动力学特性影响的实验 推进技术 韩东江 杨金福 耿加民 等 高速永磁电动机气体轴承 转 子系统振动特性 航空动力学报 刘玉晗 刘宝玉 杨金福 等 高速透平膨胀制冷机热力性能 实验研究 制冷学报 刘玉晗 杨金福 陈策 等 高速空气循环制冷机转速性能的 试验研究 化工学报 赵晨 杨金福 韩东江 等 增压透平膨胀制冷机转速性能试 验研究 工程热物理学报 赵晨 杨金福 韩东江 等 气体轴承透平膨胀制冷机的低频 振动特性 化工学报 韩中和 赵志勇 吴瑞涛 机组甩负荷中调节阀的动作过程 对转速飞升的影响 汽轮机技术 伍小林 罗云 等 机组