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基于ABAQUS封隔器胶筒的有限元分析

发布于:2024-12-11 20:04
有限元分析

      随着油田进入中、后期开发,油井井筒状况不断恶化,油井出水的情况越发严重。针对这种情况通常需要进行油井堵水的工艺。而目前堵底水工艺中使用的常规的封隔器不能进行验封,无法确定封隔器坐封质量及整体管柱封堵效果是否可靠,为此研制了一种自验封丢手封隔器。
所谓自验封封隔器就是封隔器可以检验自己的坐封状况,其工作原理是在封隔器坐封以后,打开验封通道,将液流引到两个坐封胶筒之间,地面观察压力情况,如果压力不降低,说明两个胶筒都坐封完好,整个封隔器坐封完好,达到坐封要求;如果压力降低,说明至少有一个胶筒坐封不完好,整个封隔器没有达到坐封要求,需要采取后续措施进行补救。
      在坐封过程中,下隔环固定不动,上隔环和中心管一起向下运动,压缩上胶筒和下胶筒,同时上胶筒推动验封隔环向下运动。坐封完全以后,中心管上的验封孔和隔环上的验封孔联通,液流进入上胶筒和下胶筒之间进行验封。
      坐封完全以后验封隔环向下运动的距离为下胶筒压缩距,中心管和上隔环向下运动距离为上胶筒和下胶筒压缩距的总和,因此中心管上的验封孔和验封隔环上的验封孔的距离应该为上胶筒的压缩距。在传统的封隔器胶筒设计中,假设胶筒压缩前后的体积不变,可以粗略计算胶筒的压缩距。
      根据参数运用ABAQUS软件进行建模,并对模型进行简化,等效为平面轴对称问题。在有限元分析过程中,将中心管和上隔环简化成一个零件,并且由于套管、上隔环、验封隔环和下隔环为钢制件,变形远小于橡胶可以当作刚体处理。上隔环上的参考点位置和验封隔环上的参考点位置分别代表验封孔中心线的位置。橡胶材料采用橡胶材料采用Yeoh模型。
      杭州那泰有限元分析公司将假设为刚体的套管、上隔环、验封隔环和下隔环的解析刚性面为主面。胶筒的外表面定义为从面。接触面相互作用的属性定义为有限滑移、摩擦因数为0.2的罚函数摩擦公式,结构采用四边形结构化网格,定义单元为cax4h。在模型上施加边界条件和载荷时,把下隔环和套管全约束,建立两个分析步,第一步上隔环向下运动0.1mm保证计算平稳的建立起来,第二步对上隔环施加向下的20t的集中力载荷。
      为了论述的方便,定义了4个接触面分别为密封面Ⅰ、密封面Ⅱ、密封面Ⅲ和密封面Ⅳ。满足验封的前提是必须保证四个密封面全部密封。目前,判断橡胶密封成功多采用以下条件:①最大接触压应力大于介质压力。②剪切应力小于材料的抗剪强度。根据四个密封面分别建立四条路径。
      由四个密封而的接触应力可以看出,四个密封面的接触应力都有一定的宽度大于15MPa。因此4个密封面都可以达到密封的效果。并且由胶筒的mises应力云图可以看出胶筒的最大应力在和隔环接触的肩部,其最大应力为10MPa左右,而丁腈橡胶的抗剪强度一般在12MPa以上,因此满足橡胶密封的二两条件。通过软件测量压缩以后上隔环参考点和验封隔环参考点的距离为3.2mm,即2个验封孔的中心线距离为3.2mm,两个验封孔处于联通状态,可以进行后续的验封动作,验证了前期的验封孔距离设计合理。



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