Y341防突封隔器坐封模擬研究

【摘要】本文以Y341防突封隔器為研究對象，建立封隔器有限元模型，并簡單介紹了分析該膠筒所采用的Mooney-Rivlin模型，分析了不同載荷對膠筒接觸應力的影響，得出了膠筒接觸應力沿軸向的分布規(guī)律，并從中可以看出封隔器的密封性能主要取決于中膠筒，其結果可為優(yōu)化封隔器膠筒的結構起指導作用。

【關鍵詞】防突封隔器；膠筒；有限元；接觸應力

引言

封隔器在現(xiàn)場作業(yè)中，常常由于膠筒與套管接觸應力的下降而導致坐封失效。為了防止這種現(xiàn)象的產生，人們研究了一種膠筒端部結構——防突環(huán)，稱這種封隔器為防突封隔[1]。

隨著鉆采、完井工藝的不斷發(fā)展以及井下工況的日趨復雜，對封隔器的性能提出了更高的要求。膠筒作為封隔器性能的關鍵，其結構的改進對封隔器密封性能的影響越來越備受關注。本文基于這種趨勢針對改進后的Y341防突封隔器進行了有限元分析，得出了膠筒與套管的接觸應力規(guī)律，其分析結果對改進膠筒結構具有指導意義。

1、計算模型的建立

Y341防突封隔器計算模型由中心管、膠筒、套管、隔環(huán)以及防突環(huán)組成，如圖1所示。網格尺寸劃分原則是：膠筒使用邊長為4的四邊形四節(jié)點二維實體單元，單元類型為PLANE42，中心管、隔環(huán)、防突環(huán)與套管均為42CrMn材料，選用邊長為5的四邊形四節(jié)點二維實體單元，單元類型為PLANE182。用面面接觸單元CONTA172和TARGE169模擬膠筒與套管、膠筒與中心管、膠筒與防突環(huán)以及隔環(huán)和防突環(huán)間的接觸。

通過試驗測得上下膠筒和中膠筒的材料常數值，并采用Mooney-Rivlin的橡膠本構模型進行坐封仿真，其有限元計算模型的幾何和力學參數如表1所示。根據實際工況下的受力分析，將套管與中心管進行固定約束，上隔環(huán)與封隔器本體相連，上隔環(huán)進行固定約束，膠筒之間隔環(huán)與下隔環(huán)進行X方向約束，Y方向自由約束。

2、Mooney-Rivlin模型

Mooney-Rivlin為變形張量不變量本構模型。該模型幾乎能夠反映所有橡膠材料的應力-應變關系，適用于拉伸應變約為100%和壓縮應變約為30%的情況，但是該模型的缺點是不能夠模擬多軸受力行為。根據不同的特定需求，ANSYS有限元分析軟件配備有多種Mooney-Rivlin本構模型，這些模型的區(qū)別在于其二階展開式的項數不一樣。Mooney-Rivlin模型應變能密度函數[2]：

3、計算結果與分析

為模擬封隔器坐封過程中膠筒與套管內壁接觸情況，分別向膠筒下端隔環(huán)施加4～14MPa軸向載荷，觀察膠筒的變形情況。由計算結果可知，隨著軸向坐封載荷增加，開始時由于中膠筒彈性模量相對較低，中膠筒首先與套管內壁接觸，中膠筒與套管內壁接觸后的摩擦阻力使得上膠筒所受到的軸向壓縮載荷小于下膠筒的壓縮載荷，故在中膠筒與套管內壁接觸后，下膠筒先于上膠筒與套管內壁接觸，并且隨著軸向載荷增加和摩擦阻力不斷增大，下膠筒的接觸應力超過中膠筒的接觸應力，最后上膠筒與套管內壁接觸。坐封過程三個膠筒與套管內壁的接觸壓力與軸向載荷的關系如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著坐封載荷的增加，膠筒與套管之間的接觸應力逐步增大。這是因為中膠筒的硬度低、彈性模量小以及接觸面積大的特點，因此三個膠筒里中膠筒與套管的接觸壓力最大。盡管上下膠筒的材料和幾何形狀完全相同，由于從下隔環(huán)加壓和摩擦阻力的作用，上膠筒的變形以及上膠筒與套管的接觸壓力均小于下膠筒。坐封完成以后，中膠筒的接觸壓力最大，下膠筒的接觸壓力次之，上膠筒的接觸壓力最小，所以封隔器中起關鍵作用的是中膠筒。

4結論

（1）膠筒坐封時，上中下膠筒的接觸應力沿膠筒接觸長度并不相同。

（2）在不同的軸向載荷下，三個膠筒的接觸應力分布不同，但是中膠筒的接觸面積始終最大，下膠筒次之，上膠筒最小。

（3）坐封時膠筒中部先與套管接觸，然后逐漸向兩端擴散，同時Y341防突封隔器的密封性能主要取決于中膠筒，中膠筒的接觸壓力越大，封隔器的密封性能越好。

參考文獻

[1]張德彪，侯軍，馬衛(wèi)國，蔡子龍.防突結構對封隔器密封性能的影響分析[J].石油機械，2010，38（12）：53-55.

[2]Qi ZHANG，Hao YANG，Yuguang WEI et al.Selection of Destination Ports of Inland-Port-Transferring RHCTS Based on Sea-Rail Combined Container Transportation[C].//Innovation and sustainability of modern railway： Third international symposium on Innovation and sustainability of modern railway （ISMR 2012）， September 20-21， 2012， Nanchang， China.2012：675-680.

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[4] Mooney R.A theory of large elastic deformations[J].J Applphys， 1940，11：582-592.

[5]李曉芳，楊曉翔，王洪濤.封隔器膠筒接觸應力的有限元分析[J].潤滑與密封，2005，（5）：90-93.

[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.

作者簡介

張廷，1984年，男，湖北襄陽人，漢族，助理經濟師，碩士，現(xiàn)主要從事石油鉆采設備銷售.