封隔器力學分析

于翀鵬

摘 要 封隔器是油田開發(fā)中實施機械采油、分層注水、分層壓裂或酸化、機械卡堵水等注采工藝作業(yè)的主要井下重要工具。封隔器膠筒是封隔器結構組成和功能的關鍵性部件。本文主要對封隔器座封過程進行數(shù)值模擬計算，對膠筒與套管接觸進行有限元分析計算，得出套管外部環(huán)向應力應變分布規(guī)律。為封隔器設計和應用提供現(xiàn)理論和實際參考意義。

關鍵詞 封隔器 封隔器膠筒 有限元分析 接觸應力分布

中圖分類號：TE931.2 文獻標識碼：A

0引言

封隔器的工作原理是通過水力或機械作用，使膠皮筒在套管內環(huán)形空間鼓脹，把上下油層分開，達到分采分注的目的。由于密封元件膠筒屬非線性材料，其理論研究較難，膠筒初封應力的理論公式主要用于定性分析，不能描述橡膠工作中的復雜力學行為。

本文應用ANSYS 等計算分析軟件，根據(jù)套管尺寸，建立了相應的有限元計算模型，通過有限元分析得到了封隔器膠筒載荷與接觸應力的關系、套管內外應力分布規(guī)律。

1封隔器有限元模型

套管的內徑Ri=62.15mm，外徑Ro=69.27mm。彈性模量E=210GPa，泊松比 =0.3，假設套管所受內壓為10MPa。

在 ANSYS中建立了有限元計算模型。因為接觸問題的計算過于復雜，為便于計算分析的順利進行，在計算模型的建立過程中采取了如下幾項措施：

（1）考慮到套管裝置的對稱性，計算模型只取軸向的一個平面進行處理。

（2）忽略整個過程中的摩擦力影響，只考慮徑向內壓。

（3）將套管按實際實驗中的膠筒高度（61.31mm，51.31mm，61.31mm）建立，而且中間分別使用高度為12mm的隔環(huán)隔開。

（4）上下兩端受到軸向方向的約束。

2有限元結果分析

圖1顯示，當三個膠筒對套管接觸應力為11MPa時，套管的內壁環(huán)向應變最大為95.4MPa，外壁環(huán)向應力最大為83.6MPa。分別分布在三個膠筒對應的位置。隔環(huán)位置內壁為66.7MPa，內壁為43MPa。

圖2顯示，當三個膠筒對套管接觸應力為5MPa時，套管的內壁環(huán)向應變最大為43.3MPa，外壁環(huán)向應力最大為38.1MPa。分別分布在三個膠筒對應的位置。隔環(huán)位置內壁為27.7MPa，內壁為19.9MPa。

圖3顯示，當三個膠筒對套管接觸應力為17MPa時，套管的內壁環(huán)向應變最大為147.5MPa，外壁環(huán)向應力最大為129MPa。分別分布在三個膠筒對應的位置。隔環(huán)位置內壁為94MPa，內壁為67MPa。

圖4顯示，當三個膠筒對套管接觸應力為23MPa時，套管的內壁環(huán)向應變最大為199MPa，外壁環(huán)向應力最大為175MPa。分別分布在三個膠筒對應的位置。隔環(huán)位置內壁為139MPa，內壁為92MPa。

3結論

（1）根據(jù)實際尺寸以及套筒的參數(shù)，利用ansys有限元分析軟件建立了有限元模型。

（2）通對有限元模型加載分析得到了封隔器膠筒載荷與接觸應力的關系、套管內外應力分布規(guī)律。

參考文獻

[1] 王迪.封隔器卡瓦應力分析研究[D].中國科學技術大學，2005.

[2] 王慧莉.水平井分段開采用管柱及封隔器力學分析[D].中國石油大學（華東），2010.

[3] 牛江龍.長航程潛水器艇型設計及結構分析[D].哈爾濱工程大學，2008.

[4] 李翔宇.板式換熱器密封墊片的模具設計[M].潤滑與密封，2007.

[5] 鄧雄，梁政.測試井封隔器膠筒徑向變形探討[J].西南石油學院學報，1998， 20（1）：61-63。

[6] 劉天良，施紀澤.封隔器封隔時膠皮筒接觸應力的模擬試驗研究[J].斷塊油氣田，2001，7（4）：51.