本文關(guān)鍵詞： 井下設(shè)備 密封環(huán) 磨損 泄漏預(yù)測 有限元　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：密封環(huán)是井下設(shè)備中最常用的密封元件之一,隨井下設(shè)備一起承受高溫高壓環(huán)境的考驗。除了受到惡劣的井下環(huán)境影響,井下設(shè)備中的密封環(huán)有時還需要完成特殊的密封任務(wù)而需要設(shè)計新的密封環(huán)結(jié)構(gòu)。依靠常規(guī)的設(shè)計經(jīng)驗難以對井下設(shè)備密封環(huán)的密封性能做出準(zhǔn)確的預(yù)測。泄漏量是能夠直接反映密封環(huán)密封性能的指標(biāo),通過實(shí)驗方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測密封環(huán)的泄漏量變化規(guī)律。但是考慮到在地面模擬井下高溫高壓環(huán)境既復(fù)雜又浪費(fèi)成本,采用實(shí)驗方法預(yù)測密封環(huán)泄漏量并不具有普遍性。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值計算方法在密封性能分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與物理實(shí)驗方法相比,數(shù)值計算方法具有節(jié)約成本、可獲得難測量物理參數(shù)的優(yōu)勢。為了使密封環(huán)泄漏預(yù)測計算方法能夠在井下設(shè)備中獲得更普遍的應(yīng)用,本文基于數(shù)值計算方法對井下設(shè)備中的密封環(huán)泄漏預(yù)測計算方法進(jìn)行了研究。在論文開始部分,首先對課題的研究目的和意義進(jìn)行了闡述,對與課題相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,總結(jié)分析了每個領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和尚待進(jìn)一步完善的工作,最后,提出了本文的研究內(nèi)容。研究了井下設(shè)備靜密封環(huán)泄漏預(yù)測計算方法。建立了井下設(shè)備靜密封環(huán)泄漏預(yù)測計算方法的總體框架,給出了框架中各模塊的功能及模塊間參數(shù)傳遞關(guān)系。基于分形理論,建立了靜密封環(huán)與對偶件局部接觸有限元模型。建立了井下設(shè)備靜密封環(huán)泄漏預(yù)測模型,基于滲流理論和彈性體接觸理論給出了井下設(shè)備靜密封環(huán)泄漏預(yù)測計算方法的實(shí)現(xiàn)流程。對不同材料、不同形狀的靜密封環(huán)在不同環(huán)境下的泄漏量進(jìn)行了預(yù)測分析,并通過實(shí)驗驗證了其正確性。研究了井下設(shè)備動密封環(huán)在全膜潤滑狀態(tài)下的泄漏預(yù)測計算方法。建立了井下設(shè)備動密封環(huán)在全膜潤滑狀態(tài)下的泄漏預(yù)測計算方法總體框架,給出了框架中各個模塊的功能及參數(shù)傳遞關(guān)系。建立了井下設(shè)備動密封環(huán)在全膜潤滑狀態(tài)下的泄漏預(yù)測模型。建立了動密封環(huán)的結(jié)構(gòu)有限元模型,引入非牛頓流體界面單元,基于彈性流體動力學(xué)求解方法和有限元計算方法對動密封環(huán)流固耦合問題進(jìn)行了求解,給出了井下設(shè)備動密封環(huán)在全膜潤滑狀態(tài)下的泄漏預(yù)測計算方法實(shí)現(xiàn)流程。對不同材質(zhì)的動密封環(huán)在不同環(huán)境、不同相對運(yùn)動速度下的泄漏量進(jìn)行了預(yù)測,通過實(shí)驗證明了預(yù)測方法的正確性。研究了井下設(shè)備動密封環(huán)在混合潤滑狀態(tài)下的泄漏預(yù)測計算方法。建立了井下設(shè)備動密封環(huán)在混合潤滑狀態(tài)下的泄漏預(yù)測計算方法框架,給出了框架中各個模塊的功能及參數(shù)傳遞關(guān)系。給出了動密封環(huán)在混合潤滑狀態(tài)下的名義動摩擦系數(shù)概念。建立了動密封環(huán)瞬態(tài)熱固耦合模型�；谟邢拊W(wǎng)格劃分技術(shù),提出了用于動密封環(huán)磨損仿真的網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù),并在此基礎(chǔ)上建立了動密封環(huán)磨損仿真方法。基于逆潤滑方法和直接潤滑方法,給出了井下設(shè)備動密封環(huán)混合潤滑狀態(tài)下泄漏預(yù)測計算方法的實(shí)現(xiàn)流程。對不同材質(zhì)的動密封環(huán)在不同活塞桿運(yùn)動速度下的泄漏量進(jìn)行了預(yù)測,通過與實(shí)驗結(jié)果驗證了預(yù)測方法的正確性。對模擬井下工況中隨鉆壓力測量裝置內(nèi)的密封環(huán)泄漏預(yù)測計算方法進(jìn)行了應(yīng)用研究。介紹了隨鉆壓力測量裝置的功能、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部液壓系統(tǒng)的驅(qū)動方案。以推靠組件近端面動密封環(huán)和探頭組件端面靜密封環(huán)為例進(jìn)行了泄漏量預(yù)測分析,給出了動密封環(huán)的最佳壓縮率,還給出了靜密封環(huán)的最佳結(jié)構(gòu)形式以及泄漏量與壓縮率間的關(guān)系,通過實(shí)驗證明了設(shè)計方案的正確性。
[Abstract]:The sealing ring sealing element is one of the most commonly used downhole equipment, downhole equipment together with high-temperature and high-pressure environment test. Apart from the adverse effects of the underground environment, the sealing ring of underground equipment and sometimes also need to complete the special sealing tasks need to design a new sealing ring structure. Depending on the sealing performance of the conventional design experience is difficult to downhole equipment sealing ring to make accurate predictions. The leakage can directly reflect the sealing performance of the seal ring index, through the experimental method can accurately predict the seal ring leakage variation. But considering the simulation of HTHP environment on the ground is complex and the cost of waste, using the method of prediction of seal ring leakage is not universal. With the continuous development of computer technology, numerical calculation method has been widely used in the field of performance analysis and physical experiment. Compared with other methods, numerical calculation method is cost saving, can obtain the advantage of measuring physical parameters difficult. In order to make the seal ring leakage prediction method can be more widely used in downhole equipment, based on the numerical calculation method of the sealing ring of underground equipment leakage calculation method. At the beginning of this first. The purpose and significance of the research topic is discussed, this paper summarizes the status quo of research on the topic at home and abroad, summarizes and analyzes the development status of each field to be further improved and the work, finally, put forward the research content of this paper. The research of static seal ring leakage prediction method of downhole equipment. A static seal ring leakage prediction framework calculation method of downhole equipment, gives the function of each module and the data is delivered in the framework of fractal theory based on the relationship, A local static sealing contact finite element model and the dual ring. The static seal ring leakage prediction model of downhole equipment, percolation theory and elastic contact theory is given based on static seal ring leakage flow calculation method of downhole equipment. For different materials, different shapes of the static seal ring leakage in different environments analyze and validate its correctness by experiment. The downhole equipment dynamic seal ring leakage in full film lubrication regime prediction calculation method is established. The downhole equipment dynamic seal ring leakage in full film lubrication regime prediction calculation framework method, transfer function and parameters are presented in the framework each module was established. Seal ring leakage prediction model in full film lubrication regime dynamic downhole equipment. A finite element model of the sealing structure, the introduction of non Newtonian fluid The interface unit, based on the method of solving elastic fluid dynamics and finite element calculation method of dynamic sealing fluid solid coupling problem is solved, gives the downhole equipment dynamic seal ring leakage in full film lubrication regime prediction process calculation method. For different materials sealing in different environment, different relative leakage velocity the prediction accuracy is proved through experiments. The prediction method of downhole equipment dynamic seal ring leakage in mixed lubrication state calculation method is established. The sealing ring in the mixed lubrication leakage state calculation method framework of downhole equipment, the transfer function and parameters of each module in the framework the movable sealing ring is given. In the name of mixed lubrication under the dynamic friction coefficient is established. The concept of dynamic seal ring transient thermo mechanical coupling finite element mesh based on the model. Method for dynamic sealing ring mesh reconstruction technology of wear simulation is proposed, and based on the established dynamic sealing ring wear simulation method. The inverse lubrication method and direct lubrication method based on dynamic flow calculation method for predicting the leakage of sealing ring under mixed lubrication is presented. The leakage of underground equipment of different materials moving the sealing ring in different piston rod velocities were predicted by the validated prediction method and experimental results. The simulation of downhole working conditions while drilling in sealing ring pressure measuring device in the leakage prediction calculation method was studied. The drilling pressure measuring device of the function, structure and driving scheme the internal hydraulic system. In order to push on the proximal surface of the sealing ring and the component dynamic probe assembly end face static seal ring as an example of the prediction and analysis of leakage, gives the best seal ring The compression rate, the best structure of the static seal ring and the relationship between the leakage and the compression rate are given, and the correctness of the design is proved by the experiment.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE931.2;TB42

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本文編號：1507327