本文選題：擴(kuò)張式封隔器　切入點(diǎn)：膠筒　出處：《西安石油大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：在工況復(fù)雜的油氣井井下工作時(shí),封隔器膠筒的密封性能和強(qiáng)度還不能很好的滿足需求,從而本文先對(duì)擴(kuò)張式封隔器膠筒進(jìn)行力學(xué)行為數(shù)值模擬研究,分析各個(gè)階段受力時(shí)所反映出的問題,然后從結(jié)構(gòu)和材料對(duì)膠筒進(jìn)行了研究,并對(duì)單一式密封元件和組合式密封元件的密封性能進(jìn)行了比較分析。本文以常用的K344封隔器為對(duì)象,運(yùn)用彈性理論以及大變形理論知識(shí)對(duì)封隔器膠筒分兩個(gè)階段進(jìn)行了受力分析,第一個(gè)階段是膠筒擴(kuò)張后且與套管接觸前,第二個(gè)階段是與套管接觸后,得到了每個(gè)階段受力的特點(diǎn)。然后用有限元軟件建立了K344含膠筒在內(nèi)的局部有限元模型(包括中心管,上下膠筒座,套管),模擬它的工作過程,得到了它各個(gè)階段的受力云圖。結(jié)果表明,當(dāng)封隔器處于內(nèi)壓20.0 MPa工作狀態(tài)時(shí),上、下膠筒座與中心管聯(lián)接部分的應(yīng)力水平最高,其最大Mises應(yīng)力為66.19MPa。在膠筒中,中間部分的應(yīng)力變化趨于平緩,而靠近兩端處應(yīng)力可達(dá)18.05MPa,且肩部變形最大,剪應(yīng)變達(dá)到0.8。針對(duì)膠筒在坐封時(shí)所反映出的受力特征,在建模時(shí)對(duì)膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),在改變封隔器膠筒結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)(厚度,高度,摩擦系數(shù),肩部?jī)A斜角,加鋼絲連線)后用有限元進(jìn)行了分析,對(duì)比分析后得出在同等外部條件下,膠筒的接觸應(yīng)力隨著膠筒厚度的增加而減小,密封性能也隨之減小。膠筒長(zhǎng)度太短會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此膠筒的長(zhǎng)度不能太短,本文建議選擇大于125mm的長(zhǎng)度。為了保持密封元件的完整性和工作的可持續(xù)性,必須有穩(wěn)定的接觸應(yīng)力為了同時(shí)保持足夠的摩擦力使膠筒在工作時(shí)不滑動(dòng),本文建議選用0.28的摩擦系數(shù)。隨著封隔器膠筒肩部角度的變化,膠筒上的最大應(yīng)力差異不大,而且傾角為15°時(shí)的最大應(yīng)力反而要高于30°和45°時(shí)的應(yīng)力,所以建議肩部?jī)A角取15°,此時(shí)既有利于減弱肩部突出的程度,也能滿足強(qiáng)度需求。在建模時(shí)對(duì)膠筒材料進(jìn)行了改進(jìn),分別在膠筒中添加1-3層鋼絲簾線,對(duì)其坐封過程進(jìn)行有限元分析后,對(duì)比得出了材料補(bǔ)強(qiáng)措施。本文對(duì)單一密封元件與組合式密封元件的密封性能進(jìn)行了比較分析,通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出采用組合式密封元件,不僅降低了封隔器的坐封力,且承壓能力要比采用單一式密封元件高,密封效果也更好。
[Abstract]:When working under oil and gas wells with complex working conditions, the sealing performance and strength of the Packer rubber barrel can not meet the requirements well. So the numerical simulation of the mechanical behavior of the expanded Packer cylinder is carried out in this paper. The problems reflected in the stress of each stage are analyzed, and then the structure and materials of the rubber tube are studied. The sealing performance of single seal element and combined seal element is compared and analyzed. In this paper, the commonly used K344 Packer is used as the object. Using the theory of elasticity and the theory of large deformation, the stress of the Packer rubber cylinder is analyzed in two stages: the first stage is after the cylinder is expanded and the casing is in contact with the casing, the second stage is after the contact with the casing. Then the local finite element model (including central tube, upper and lower rubber tube, casing, etc.) is established by using finite element software, and its working process is simulated. The results show that when the Packer is in the working state of 20.0 MPa, the stress level of the connecting part of the lower rubber tube and the central tube is the highest, and the maximum Mises stress is 66.19 MPA in the rubber tube. The stress variation of the middle part tends to be gentle, while the stress near the two ends can reach 18.05 MPA, and the shoulder deformation is the largest, and the shear strain reaches 0.8. In view of the stress characteristics of the rubber cylinder when it is seated and sealed, the structure of the plastic tube is improved when modeling. After changing the structure and material parameters (thickness, height, friction coefficient, shoulder angle, wire connection) of the Packer cylinder, the finite element method is used to analyze the structure and material parameters. The contact stress of the cylinder decreases with the increase of the thickness of the cylinder, and the sealing performance also decreases. If the length of the cylinder is too short, the stress concentration will occur, so the length of the cylinder should not be too short. This paper suggests choosing a length greater than 125mm. In order to maintain the integrity of the sealing element and the sustainability of the work, there must be a stable contact stress in order to maintain sufficient friction at the same time so that the cylinder does not slide while working. The friction coefficient of 0.28 is suggested in this paper. With the change of shoulder angle of the Packer cylinder, the maximum stress on the Packer cylinder has little difference, and the maximum stress at the angle of 15 擄is higher than that at 30 擄and 45 擄. Therefore, it is suggested that the shoulder inclination angle should be 15 擄, which can not only reduce the degree of shoulder protruding, but also meet the demand of strength. In modeling, the plastic tube material is improved, and 1-3 layers of steel cord are added to the rubber tube, respectively. After finite element analysis, the material reinforcement measures are obtained. The sealing performance of single seal element and combined seal element is compared and analyzed in this paper. Through the comparison of data, it can be seen that the combined seal element is adopted. It not only reduces the sealing force of the Packer, but also has a higher pressure bearing capacity and better sealing effect than that of a single seal element.
【學(xué)位授予單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE931.2

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本文編號(hào)：1672860