探究封隔器和橋塞作業時的受力情況

張 順

（江漢井下測試公司塔里木分公司測試項目部，新疆 輪臺 841600 ）

一﹑前言

封隔器是一種密封彈性元件，用來封隔管柱和井眼以及管柱之間的空間，產生封隔層，用來控制石油等產液對套管的作用力，保護套管不受到損壞。在石油開采的過程中，封隔器的主要作用是用來分層，封隔器上面設有采油通道。橋塞是作用是油氣井封層，通過管柱將橋塞運送到指定位置，通過坐封工具或者火藥爆炸產生的壓力和拉力分別作用于上卡瓦和張力棒，當拉力達到一定值時，張力棒就會斷裂，坐封工具和橋塞就會脫離，這時候，橋塞中的上下卡瓦破碎鑲嵌在套管內壁上，實現坐封。

二﹑封隔器作業時的受力情況

封隔器的受力狀況比較復雜，所以，我們需要建立一個模型來分解其受力情況，逐步解答。在現有研究封隔器受力的基礎上，建立科學的管柱模型，充分考慮摩擦力﹑內外壓差產生的壓力﹑井眼彎曲和傾斜角度等因素，建立起主水管在井眼中受到各種作用力的效果模型，同時，封隔器的固定又需要其他的錨固工具和長度補償工具等的支撐，這些因素也在一定程度上影響著封隔器的受力，所以，在建立模型時，要充分考慮各類因素對封隔器的作用，建立更接近于真是受力情況的模型。根據注水作業的實際操作，我們建立了以下兩個模型。

1 基于實測井眼軌跡三維曲井中注入管柱軸向載荷力學模型。

軸向載荷分析是管柱力學分析中的重要內容，三維曲井的井眼情況較為復雜，管柱的軸向荷載包括管道的豎向摩擦，管柱的重力效應，液體浮力，液體與管柱間的粘滯力和管柱彎曲分解產生的軸向力組合而成，在充分考慮各類作用力對管柱的軸向作用后，建立了管柱軸向模型，能夠合理科學的表達各個力對管柱的具體作用情況和造成的影響，使得技術人員能夠更加清楚的掌握每一個力的分別作用情況。建立模型最重要的是對實際設備進行合理的假設，這個模型進行的假設有：井壁和管柱之間為剛性作用，并且完全接觸，管柱和井眼軸線平行，管柱的重力﹑壓力和摩擦力分布均勻，彎曲的管柱彎起弧度是等曲率圓弧，忽略下部的動荷載的影響。

經過力學模型分析得出，封隔器在井眼中的受力變化是空間弧形，管柱的有效軸應力是管柱的自身重力與管柱內外液體壓力差之和減去摩擦力之差的結果。

2 溫度場模型。

在水井還未注水投入使用前，管柱的溫度基本與地層溫度一致，但是注水以后，從地面流入的液體帶有一定的溫度，這就會打破地層原有的熱平衡，管柱的溫度會隨著液體的不斷注入不斷地發生變化，與原來的溫度場模型相比，現在的模型將注入液體所帶來的溫度差考慮在內，管柱在作業時的受力也會受到溫度的影響，所以建立更加接近于實際情況的模型對分析封隔器工作時的受力更加準確。

三﹑橋塞作業時的受力情況

橋塞是用來進行油氣井封層的工具，它的施工順序少，周期短，卡封位置準確，我們平時所用的橋塞分為永久式橋塞和可取式橋塞兩種，本文著重介紹永久式橋塞。Y443-108可鉆式橋塞是通過管柱或者電纜投送的永久式橋塞，主要由密封機構和鎖緊機構兩大部分組成。根據橋塞投入使用的過程來分別描述橋塞的受力情況。首先要應用分析軟件對可取橋塞模型進行靜力學分析，確定套管的受力情況和應力分布和變化規律，然后利用三維光彈性實驗對橋塞進行力學模型的受力分析，然后通過對比得出正確的受力狀況分析。

首先進行可鉆式橋塞的非線性理論分析。可鉆式橋塞是連續的，需要計算出應力﹑第二應力和應變張量在實際情況下的真實應力，應力張量分為三類，由于P型應力張量并不是對稱的，而真實情況下的應力是對稱的，所以，應力張量的概念和計算方法并不適用于應力和應變關系，從而需要采用S型的應力張量來計算，利用質量守恒﹑線動量守恒﹑角度量守恒和能量守恒的原則得出相應的方程解釋受力情況。此后，要將有限元離散化，建立離散化方程，充分考慮內部節點力和外部節點力的影響，建立質量矩陣，得到有效地離散元方程。非線性有限元分析可以分為材料非線性分析﹑幾何非線性分析和接觸非線性分析三種。對于非線性受力問題的解決，在現有的知識理論下并沒有一個準確的解答方法，所以只能采取數值解法來分析。從數學角度解決非線性受力問題的分析可以通過偏微分方程的邊值問題和初值問題進行求解，對于可鉆式橋塞的非線性問題的計算，我們主要通過載荷增量法和紐頓-安普森方法結合運算，通過平衡方法得到近似解。

其次就是可鉆式橋塞彈塑性理論分析。可鉆式橋塞在受到較大壓力的狀態下，承受較大的外部荷載，當荷載較小時，橋塞表現為彈性，隨著荷載的不斷增大，橋塞進入塑性變形階段。這時候，橋塞的變形是塑性變形，而在塑性變形階段，應力和應變的關系是非線性的，這種非線性的變化不僅與材料有關，還與環境條件和加載的時間和速度有關。彈塑性的應力應變分析比彈性力學要復雜的多，對于可鉆式橋塞來說，我們需要進行單軸應力下的彈塑性應力應變分析，但是這是建立在材料是均勻且連續的假設下，并且在變化后，塑性變形部分的體積變為零，同時忽略時間因素對于材料塑性的影響。在復雜應力狀態下的塑性屈服準則包括屈雷斯加屈服準則和米塞斯屈服準則，在充分考慮流動法則和硬化條件的因素下，建立彈塑性本構關系和彈塑性矩陣。要想準確的確定每一個應力分量，需要對規定的應力值和荷載加載方向和彈塑性切線矩陣已知，應力可以通過積分求得，解決彈塑性問題的方法包括增量切線剛度法﹑增量初應力法和增量初應變法。

結語

隨著油氣田的不斷開采和利用，油氣田的開采遇到了前所未有的技術難題。探究封隔器和橋塞作業時的受力情況對于今后高效地開采油氣田，提高一次性開采成功的概率，推動石油業的發展具有重要的作用。

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