封隔器力學(xué)分析

于翀鵬

摘 要 封隔器是油田開發(fā)中實(shí)施機(jī)械采油、分層注水、分層壓裂或酸化、機(jī)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(jié)構(gòu)組成和功能的關(guān)鍵性部件。本文主要對(duì)封隔器座封過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)膠筒與套管接觸進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出套管外部環(huán)向應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。為封隔器設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供現(xiàn)理論和實(shí)際參考意義。

關(guān)鍵詞 封隔器 封隔器膠筒 有限元分析 接觸應(yīng)力分布

中圖分類號(hào)：TE931.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

封隔器的工作原理是通過(guò)水力或機(jī)械作用，使膠皮筒在套管內(nèi)環(huán)形空間鼓脹，把上下油層分開，達(dá)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(yīng)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(fù)雜力學(xué)行為。

本文應(yīng)用ANSYS 等計(jì)算分析軟件，根據(jù)套管尺寸，建立了相應(yīng)的有限元計(jì)算模型，通過(guò)有限元分析得到了封隔器膠筒載荷與接觸應(yīng)力的關(guān)系、套管內(nèi)外應(yīng)力分布規(guī)律。

1封隔器有限元模型

套管的內(nèi)徑Ri=62.15mm，外徑Ro=69.27mm。彈性模量E=210GPa，泊松比 =0.3，假設(shè)套管所受內(nèi)壓為10MPa。

在 ANSYS中建立了有限元計(jì)算模型。因?yàn)榻佑|問(wèn)題的計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，為便于計(jì)算分析的順利進(jìn)行，在計(jì)算模型的建立過(guò)程中采取了如下幾項(xiàng)措施：

（1）考慮到套管裝置的對(duì)稱性，計(jì)算模型只取軸向的一個(gè)平面進(jìn)行處理。

（2）忽略整個(gè)過(guò)程中的摩擦力影響，只考慮徑向內(nèi)壓。

（3）將套管按實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(jié)果分析

圖1顯示，當(dāng)三個(gè)膠筒對(duì)套管接觸應(yīng)力為11MPa時(shí)，套管的內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變最大為95.4MPa，外壁環(huán)向應(yīng)力最大為83.6MPa。分別分布在三個(gè)膠筒對(duì)應(yīng)的位置。隔環(huán)位置內(nèi)壁為66.7MPa，內(nèi)壁為43MPa。

圖2顯示，當(dāng)三個(gè)膠筒對(duì)套管接觸應(yīng)力為5MPa時(shí)，套管的內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變最大為43.3MPa，外壁環(huán)向應(yīng)力最大為38.1MPa。分別分布在三個(gè)膠筒對(duì)應(yīng)的位置。隔環(huán)位置內(nèi)壁為27.7MPa，內(nèi)壁為19.9MPa。

圖3顯示，當(dāng)三個(gè)膠筒對(duì)套管接觸應(yīng)力為17MPa時(shí)，套管的內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變最大為147.5MPa，外壁環(huán)向應(yīng)力最大為129MPa。分別分布在三個(gè)膠筒對(duì)應(yīng)的位置。隔環(huán)位置內(nèi)壁為94MPa，內(nèi)壁為67MPa。

圖4顯示，當(dāng)三個(gè)膠筒對(duì)套管接觸應(yīng)力為23MPa時(shí)，套管的內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)變最大為199MPa，外壁環(huán)向應(yīng)力最大為175MPa。分別分布在三個(gè)膠筒對(duì)應(yīng)的位置。隔環(huán)位置內(nèi)壁為139MPa，內(nèi)壁為92MPa。

3結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)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(duì)有限元模型加載分析得到了封隔器膠筒載荷與接觸應(yīng)力的關(guān)系、套管內(nèi)外應(yīng)力分布規(guī)律。

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