套管外液压封隔器结构参数优化研究

论文摘要

套管外液压封隔器用来封隔套管与井壁之间环形空间的固井工具。主要有扩张式和压缩式两种类型,扩张式套管外封隔器是密封胶筒受到径向的液压力后膨胀与井壁接触形成密封的,而压缩式是依靠轴向的液压力来形成密封的,其中扩张式套管外封隔器应用较广泛。目前国内外使用的套管外封隔器存在的主要问题有：（1）主要承压部件中心管容易疲劳破坏；（2）胶筒与井壁之间的密封效果不好；（3）胶筒使用寿命短；（4）胶筒的两个端面会经常出现“跑出”现象,最终造成密封早期失效。为了有针对性的解决上述问题,本文主要做了以下几个方面的工作：（1）用ANSYS Workbench对套管外封隔器工作时的主要承压部件中心管进行了有限元分析,增加中心管的厚度,中心管直径变化的地方施加适当的倒圆角,可以减小应力集中,设计了内密封圈的结构以及沟槽的形状。（2）分析了扩张式套管外封隔器密封胶筒与井壁的接触特点,用Abaqus非线性有限元软件建立了胶筒与井壁的接触模型。（3）从密封胶筒的端面倾角、“防突装置”、单胶筒、双胶筒组合、硬度、以及摩擦系数等因素研究其对密封性能的影响。得出当密封胶筒的端面倾角为60°时,胶筒与井壁之间的接触压力最大；提出了在胶筒的两个端面增加紫铜“防突装置”能很好的阻止胶筒两个端面向封隔器与井壁之间的环形空间“跑出”的现象；双胶筒组合的套管外封隔器,当中间隔环的向两侧的斜度为‘8。-12。时,胶筒在承受径向液压力的同时,还能承受一个来自中间隔环施加的轴向载荷,提高了胶筒与井壁之间的接触压力,密封效果好,很好的增加了密封的可靠性。本文对套管外液压封隔器的研究,对以后开发高性能的套管外封隔器具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究的主要内容及技术思路
• 第2章 套管外液压封隔器结构分析及优化
• 2.1 套管外液压封隔器基本结构
• 2.1.1 基本结构
• 2.1.2 工作机理
• 2.1.3 与其他封隔器的区别
• 2.2 套管外封隔器用途及存在的问题
• 2.2.1 套管外液压封隔器用途
• 2.2.2 使用时注意事项
• 2.2.3 目前存在的问题
• 2.3 套管外液压封隔器受力分析
• 2.3.1 坐封载荷的确定
• 2.3.2 工作时的受力分析
• 2.3.3 压差作用下胶筒剪切应力分析
• 2.4 中心管有限元分析
• 2.4.1 中心管有限元计算模型
• 2.4.2 施加载荷和边界条件
• 2.4.3 计算结果分析及优化
• 2.5 内密封圈设计
• 2.5.1 O型密封圈的密封机理
• 2.5.2 O型密封圈及其沟槽设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 套管外封隔器密封胶筒力学性能分析
• 3.1 密封胶筒橡胶材料选择
• 3.1.1 丁腈橡胶
• 3.1.2 氢化丁腈橡胶
• 3.1.3 胶筒材料的选择
• 3.2 密封胶筒材料的物理特性
• 3.2.1 橡胶材料大变形
• 3.2.2 橡胶超弹性和体积不可压缩性
• 3.2.3 橡胶材料的非线性
• 3.3 密封胶筒橡胶材料的本构关系
• 3.3.1 橡胶弹性分子统计学理论
• 3.3.2 橡胶连续介质的力学方程
• 3.4 橡胶材料的试验方法及力学参数确定
• 3.4.1 橡胶材料的实验方法
• 3.4.2 橡胶力学参数的确定
• 3.4.3 胶筒材料参数的评估
• 3.5 本章小结
• 第4章 密封胶筒非线性模型及接触分析
• 4.1 套管外封隔器胶筒接触模型
• 4.1.1 建立接触模型
• 4.1.2 接触模型简化
• 4.1.3 计算所需参数
• 4.1.4 密封胶筒与井壁间摩擦系数
• 4.1.5 密封胶筒与裸眼井壁间的环空间隙
• 4.2 接触问题分析
• 4.2.1 接触问题概述
• 4.2.2 接触界面非线性
• 4.3 胶筒接触的类型和特点
• 4.3.1 胶筒和井壁的接触类型
• 4.3.2 胶筒和井壁接触特点分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 胶筒的应力分析及结构改进
• 5.1 胶筒非线性有限元分析的假设
• 5.2 单胶筒结构分析
• 5.2.1 端面倾角30°的情况
• 5.2.2 端面倾角45°的情况
• 5.2.3 端面倾角60°的情况
• 5.3 双胶筒结构分析
• 5.3.1 端面倾角的影响
• 5.3.2 中间隔环形状的影响
• 5.4 "防突装置"对密封性能的影响分析
• 5.5 胶筒硬度对密封性能的影响分析
• 5.5.1 单胶筒硬度的影响
• 5.5.2 双胶筒硬度的影响
• 5.6 不同摩擦系数的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果