基于vb的橡胶封隔器有限元分析

基于vb的橡胶封隔器有限元分析

水力扩张式封隔器封闭器是油田开采中的一种重要的地下工具之一。位于气管和套筒之间，主要有以下三种类型：套筒外封闭器、压缩封闭器和水力扩张封闭器。套管外封隔器位于套管和裸眼井壁之间。压缩式封隔器的压缩式胶筒的密封是靠管柱压重或借助水力载荷压缩胶筒来实现的,这种密封属于接触密封,其密封质量的好坏,关键看套管内壁与胶筒之间接触压力的大小。而密封元件上所产生的应力的大小,取决于封隔器坐封力的大小和其具体结构形式。同时,对于压缩式密封元件在承载变形时,要求应力分布要均匀,尽量避免和减少胶筒上应力集中的现象。水力扩张式封隔器是靠胶筒向外扩张来封隔油、套管环形空间的。因此,胶筒的内部压力必须大于外部压力,也就是油管压力必须大于套管压力。所以,水力扩张式封隔器必须和节流器配套使用。坐封:从油管内加液压,液压经滤网罩、下接头的孔眼和中心管的水槽,作用于胶筒的内腔,从而使胶筒胀大,封隔油、套管环形空间。解封:放掉油管内的压力,胶筒即收回解封。套管外封隔器是把水泥浆(流体)挤到管外封隔器内,在水泥浆膨胀压力的作用下使橡胶筒外壁膨胀至裸眼井壁,达到设计压力后,管外封隔器与井壁固定。整个力学过程属于流-固耦合问题和高度非线性的接触问题。其力学关系为:水泥浆压力不断动态增加,流体在橡胶内壁固体界面使超弹性的橡胶不断扩张,然后橡胶外壁与裸眼井壁产生接触的力学关系。套管外封隔器固井技术是一种特殊固井技术,此技术在国外普遍采用,国内目前主要用于复杂固井实践中。封隔器也是完井管柱中最重要的井下工具之一,不少学者已对其实物力学实验、有限元数值模拟以及封隔器与管柱之间的力学关系等进行了大量的研究,对封隔器的结构优化以及接触压力的分布关系等提出了不少建设性的意见,并取得了一些具有指导意义的成果。但是随着钻井技术的发展,不断地面向深井、超深井以及大位移井的钻井、完井,使得封隔器所处的环境越来越恶劣,对封隔器的力学性能及密封性能的要求也越来越高。为此,笔者对最常用的压缩式封隔器、水力扩张式封隔器以及套管外封隔器的工作过程进行了有限元分析,对封隔器的受力过程和结构优化设计进行了详细研究,为预防封隔器失效机理研究提供了理论依据。建立有限元模型由于封隔器的结构较复杂,为了对其进行结构优化设计和有限元力学分析,用VB编写了上述3种封隔器通用的有限元实体模型建立以及橡胶超弹性材料输入的前处理软件,其软件界面见图1。首先在主菜单中选取“压缩式封隔器有限元模型”,然后在界面中输入封隔器结构参数、管柱和橡胶材料特性参数、力学参数以及有限元网格控制参数,点击“保存”,将基本参数数据存入原始数据备份文件中,用鼠标点击“确定”,则直接调用有限元软件解算器,对封隔器进行有限元仿真模拟。同理,用鼠标选取图1中“扩张式封隔器有限元模型建立”或“套管外封隔器有限元模型建立”,然后输入相关的基本参数,则软件自动建立相应的封隔器力学分析的有限元模型,同时自动调用有限元软件中解算器模块内核,再选取“确定”,软件自动进行有限元仿真模拟。封隔器中各种边界条件均在VB软件中自动设定,如力的边界条件、位移边界条件以及橡胶与各部件的接触问题的高度非线性的边界条件等,软件中设定橡胶材料采用Mooney-Rivlin材料模式。元模型结果分析1.有限元模拟结果根据笔者开发的软件,用鼠标选取图1中“压缩式封隔器有限元模型”,输入相关参数,则自动生成压缩式封隔器有限元网格模型及其实体模型,见图2。用VB软件直接调用有限元解算器,在工作压力12MPa、坐封力35kN作用下,解算出的接触压力分布结果见图3。从图3a中可见,最大接触压力为14.92MPa,且大于4MPa的接触压力均发生在上胶筒和中胶筒之间的隔环以及中胶筒和下胶筒之间的隔环上,胶筒外壁与套管内壁之间的接触压力均在3MPa以内,其分布关系曲线见图3b。从图3b可知,上胶筒外壁与套管内壁的接触压力最大,其值为1.5～3.0MPa,其次是中胶筒的接触压力在0.8～1.0MPa内变化,下胶筒外壁与套管内壁的接触压力最小,其值为0.45～0.65MPa。因此,从有限元模拟结果来看,上胶筒受的接触压力最大,其次是中胶筒,最后是下胶筒。由此可见,对于压缩式封隔器,其上胶筒密封性最好,其次是中胶筒,最后是下胶筒。但从失效角度来看,上胶筒受力最大,则越容易失效,其次是中胶筒,最后是下胶筒。这为设计或选择胶筒橡胶材料提供了理论依据。从图3a可见,3个胶筒内壁与中心管在A、B、C、D和E点附近的接触压力均大于3MPa,在这5个关键点附近的密封性最好,如果在软件中改变封隔器的结构尺寸以及坐封力的大小,则可以得到最优的封隔器结构和最好的接触压力分布,为提高封隔器的使用寿命提供了简便的方法。2.接触压力分布根据笔者开发的软件,用鼠标选取图1中“扩张式封隔器有限元模型建立”,输入相关参数,则自动生成扩张式封隔器有限元网格模型及其实体模型,其实体模型见图4。其结构参数为:套管内径121.4mm,中心管外径68mm,胶筒外径114mm,胶筒长度200mm,胶筒与套管内壁的摩擦因数为0.2。用VB软件直接调用有限元解算器,在工作压力12MPa、坐封压力2MPa作用下,解算出的接触压力分布结果见图5。从图5a中可见,最大接触压力为4.227MPa,主要发生在胶筒的上、下端部,除这2个端部外,胶筒中部的接触压力分布较均匀。胶筒外壁接触压力分布曲线见图5b,根据图5b可以直观地分析扩张式封隔器胶筒外壁与套管内壁的接触压力分布大小及关系。从有限元模拟过程中可知,橡胶筒内的最大VonMises应力发生在图5a上的A点和B点附近,其值为5.0～5.4MPa,而稍微离开A点和B点位置时,在胶筒中部,其VonMises应力均在1.5MPa左右,可见在胶筒的上、下端部的A点和B点附近的应力是其它部分应力的3.0～3.6倍。因此,扩张式封隔器胶筒失效部位将发生在图5a中A点和B点附近,在对扩张式封隔器结构设计时,应该重点对A点和B点附近的结构进行优化设计,以延长其使用寿命。3.有限元模拟结果根据笔者开发的软件,用鼠标选取图1中“套管外封隔器有限元模型建立”,输入相关参数,则自动生成套管外封隔器有限元网格模型及其实体模型,其实体模型见图6。其结构参数为:井筒直径230mm,胶筒最小内径100mm,胶筒最大外径154mm,胶筒长度800mm,胶筒与套管内壁的摩擦因数为0.2。用VB软件直接调用有限元解算器,在工作压力12MPa、坐封压力2MPa作用下,解算出的接触压力分布结果见图7。从图7a中可见,最大接触压力为0.917MPa,主要发生在胶筒的上、下端部,除这2个端部外,胶筒中部的接触压力分布较均匀,其值在0.85MPa左右。胶筒外壁接触压力分布曲线见图7b,此曲线可以直观地反映套管外封隔器胶筒外壁与套管内壁的接触压力分布大小及关系。从有限元模拟过程可知,橡胶筒内的最大VonMises应力发生在图7a上的A点和B点附近,其值为13.0～14.0MPa,而稍微离开A点和B点位置时,在胶筒中部CD段,其VonMises应力在8.0～9.0MPa左右。可见在胶筒的上、下端部的A点和B点附近的应力是其它部分应力的1.60～1.75倍,因此套管外封隔器胶筒失效部位与扩张式封隔器的失效部位相同,均将发生在图7a中A点和B点附近。在对套管外封隔器结构设计时,应该重点对A点和B点附近的结构进行优化设计,以提高套管外封隔器的使用寿命。压缩式封隔器胶筒(1)用VB开发的封隔器有限元模拟分析软件,为封隔器的有限元力学模型和网格模型的建立,以及其橡胶与套管内壁或与井筒内壁的有限元接触问题分析提供了简便的方法和可靠的手段。该研究成果已在油田现场使用,效果很好。(2)压缩式封隔器的上胶筒、中胶筒和下胶筒外壁与套管内壁的接触压力均不相等,上胶筒的接触压力最大,中胶筒次之,下胶筒最小,这些研究成果为压缩式封隔器胶筒橡胶材料的选择或设计提供了理论依据。(3)扩张式封隔器胶筒上、下