整體式卡瓦在橋塞坐封后起到支撐橋塞、鎖定膠筒的作用。針對其在斷裂過程中不均勻斷裂而導(dǎo)致的承壓過程中破壞失效的問題,建立了真實工況下卡瓦斷裂坐封的有限元模型�；趽p傷演化理論中的位移破壞原理和延性損傷準則中的材料塑性變形疊加原理,首先通過單軸拉伸實驗獲得了卡瓦材料的真實應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù);并將其引入金屬延性損傷和塑性力學(xué)參數(shù)設(shè)置中,成功模擬了卡瓦的斷裂過程。基于這種分析方法和卡瓦的斷裂缺陷,對卡瓦的斷裂形式改進后再次分析,整體式卡瓦可均勻裂為三瓣,卡瓦本體應(yīng)力分布明顯降低。最后實驗驗證此結(jié)構(gòu)下,橋塞的封堵效果良好,可穩(wěn)定承載4.5in套管截面受到的50MPa軸向載荷,達到了實際坐封要求。整體式卡瓦分瓣斷裂比C字形斷裂承壓能力更高。研究成果對應(yīng)用有限元法模擬橋塞坐封過程和整體式卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考價值。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2020年04期 第1641-1648+1866頁 北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

卡瓦一次斷裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料參數(shù)確定

?2金屬斷裂損傷理論基礎(chǔ)2.1損傷演化在ABAQUS中的損傷演化類型分為位移和能量，分別從破壞時的位移和斷裂能的角度求損傷的演化[12]。對于位移求損傷變量，其采用類似脆塑性模型的方法；對于能量方法，通過斷裂所需的能量求出損傷變量。ABAQUS中的損傷演化是從損傷萌生開始算起的，表現(xiàn)為材料剛度的降低。默認損傷萌生之前損傷因子為0，材料斷裂時損傷因子為1。它描述了材料損傷時的特征應(yīng)力-應(yīng)變行為。在各向同性硬化彈塑性材料中，損傷表現(xiàn)為屈服應(yīng)力軟化和彈性退化兩種形式。圖1中實線為損傷應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，虛線為無損傷時的響應(yīng)。圖1損傷逐步退化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1Stress-straincurvewithprogressivedamagedegradation圖1中y0和pl0為損傷開始時的屈服應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變，plf為破壞時的等效塑性應(yīng)變；D表示材料屈服之后線性應(yīng)力與實際應(yīng)力的差值，即當整體損傷變量達到D=1時，整體損傷變量D由單個損害變量id累積而成。plf的值取決于單元的特征長度；損傷演化規(guī)律用等效塑性位移plu和斷能fG表示。ABAQUS中包括延性金屬損傷、服從Traction-Separation法則的損傷、纖維增強復(fù)合物的損傷、彈性體損傷。對于延性金屬損傷，剪切損傷模型用于預(yù)測剪切帶局部化引起的損傷，F(xiàn)LD、FLSD、MSFLD、M-K損傷都是用于預(yù)測金屬薄片成型引起的損傷。延性損傷和Johnson-Cook損傷都是一類模型，預(yù)測由于延性金屬內(nèi)部空隙成核、成長、集結(jié)引起的損傷。模型假定損傷發(fā)生時的等效塑性應(yīng)變是三軸應(yīng)力和應(yīng)變率的函數(shù)。該延性準則由Mises、Johnson-Cook、Hill、Drucker-Prager塑性模

整體式卡瓦的失效形式在油田勘探和開發(fā)中，橋塞作為一種井下封堵工具，廣泛用于對油水井分層壓裂、分層酸化、分層試油施工時封堵下部井段。圖2為適用于內(nèi)徑114.3mm套管的橋塞結(jié)構(gòu)示意圖，橋塞內(nèi)部的整體式卡瓦在橋塞坐封過程中斷裂張開與套管內(nèi)壁咬合，橋塞坐封完成后，卡瓦起到支撐橋塞、鎖定膠筒的作用。圖2橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Bridgeplugschematicdiagram卡瓦與套管的錨定效果是橋塞坐封成敗的關(guān)鍵，但由于一些其它不可預(yù)知因素(如工具坐封力以及卡瓦斷裂形式)，可能導(dǎo)致橋塞坐封失敗。如圖3所示，下卡瓦在橋塞坐封時發(fā)生C字形斷裂，卡瓦錨定套管后，C字形開口兩側(cè)的卡瓦齒與套管咬痕較深，在軸向載荷作用下，卡瓦在套管出現(xiàn)偏心狀態(tài)。因此，造成沿斷裂面兩邊的卡瓦本體集中受力，導(dǎo)致卡瓦前端被撕裂，橋塞坐封失敗。圖3卡瓦失效形式Fig.3Failuremodeofintegralslip3.2整體式卡瓦數(shù)值模擬分析卡瓦的斷裂形式對其與套管的錨定效果有極大的影響，圖3中卡瓦的斷裂方式并不理想，但如果能通過仿真模擬還原卡瓦的斷裂過程，對后續(xù)卡瓦結(jié)構(gòu)改進能否達到理想的斷裂狀態(tài)，這種研究方法可以節(jié)約實驗成本。因此，建立了整體式卡瓦一次斷裂有限元分析模型，如圖4所示，本次分析以下卡瓦為研究對象，為簡化分析模型，僅保留與下卡瓦相接觸的錐體和隔環(huán)兩個部件參與分析。圖4卡瓦一次斷裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料參數(shù)確定卡瓦內(nèi)受錐體擠壓后，沿應(yīng)力槽裂開，其斷裂形式可理解為拉伸破壞，另外在卡瓦坐封后的承壓階段卡瓦處于軸向拉伸狀態(tài)，其失效形式也是拉伸破壞。為得到準確的有限元分析結(jié)果，因此進行了材料單軸拉伸實驗，以

【參考文獻】：
期刊論文
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