扩张式封隔器胶筒参数优选

为了对扩张式封隔器结构参数进行优选,利用有限元分析技术分析了胶筒工作长度、厚度、肩部形状和钢丝帘线排布方式等对胶筒受力和变形规律的影响。建模时把钢丝帘线层视为均匀的连续体,假设橡胶材料的力学性能不随温度发生变化,定义了5条路径,分别用于显示封隔器肩部和胶筒实体部分的应力曲线。分析结果表明,当扩张式封隔器胶筒启封工作压力为0.5MPa,内压达到10.0 MPa以上时密封接触长度达到最大;在一定范围内胶筒长度对其工作性能基本没有影响,但长度过短会使密封性能减弱;建议胶筒外径小于封隔器刚体最大外径1～2 mm。     

井下封隔器胶筒橡胶材料力学性能试验研究

封隔器胶筒橡胶材料的性能决定了封隔器密封性能的好坏。由于胶筒是非线性弹性材料,其橡胶配方的不同对材料性能有相当大的影响,因此,必须通过试验测定胶筒材料的力学性能。文章主要是对封隔器胶筒硫化橡胶的标准试样在不同压力和不同温度条件下的性能进行试验,获取应力-应变关系及橡胶的压缩模量、杨氏模量等值,为分析封隔器的工作性能提供基本依据。     

基于有限元的封隔器密封性能影响因素分析

选择了能够合理描述封隔器胶筒受力变形的Yeoh模型,通过试验测得封隔器胶筒材料的应力与应变关系,利用MATLAB计算了Yeoh模型的常数。对封隔器胶筒进行有限元分析,得到胶筒压缩距、肩部"突出"以及接触应力随坐封载荷的增加而增加;胶筒肩部"突出"使最大接触应力的作用区域变小,且由胶筒中部逐渐转移到加载端,造成胶筒与套管的接触应力分布不均匀,使胶筒密封的可靠性降低。通过试验得到坐封力与压缩距的关系,验证了有限元模型的正确性。     

高压分层注入封隔器的研制与应用

为了解决双河油田分层注水、酸化封隔器工艺成功率较低的问题,研制了高压分层注入封隔器。该封隔器采用双活塞低压力坐封机构、洗井阀控制销钉,实现先坐封、后关闭洗井阀,提高了封隔器坐封的可靠性;采用双层紫铜碗胶筒肩部保护结构,同时与胶筒生产厂家联合攻关,优选胶筒配方,提高了胶筒耐温耐压性能。室内试验和现场应用结果表明,高压分层注入封隔器在额定坐封压力下,能可靠坐封,从现场应用12口井情况看,注水封隔器有效期达到两年以上,满足酸化、压裂施工现场需求,工艺成功率100%,取得了较好的应用效果,为高压分层注水、分层酸化、分层压裂井的应用提供了技术支撑。     

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能，且胶筒属于超弹性材料，在井下多种载荷作用下，其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象，建立了封隔器密封元件的有限元力学模型，分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响，得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律，研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。     

裸眼井中扩张式封隔器力学行为研究

封隔器在石油天然气开采中起着非常重要的作用,而扩张式封隔器在裸眼井中广泛应用。本文采用有限元软件建立了裸眼封隔器与地层的模型,对胶筒在坐封过程中与井壁接触应力的变化进行了研究,并研究了在不同摩擦系数下接触压力的变化,结果表明,建立粗糙井壁面能够更加符合实际情况,胶筒肩部为应力集中的区域,地层与胶筒的接触应力会随着摩擦系数的增加而减小。研究结果为裸眼扩张式封隔器的设计和改进提供了理论依据。     

双胶筒封隔器胶筒密封性能分析

以双胶筒封隔器为研究对象,应用ANSYS有限元软件建立封隔器密封元件的计算模型,分析了在不同加载方式、不同胶筒端面斜角以及不同摩擦因数等条件下,封隔器胶筒与套管之间接触压力的变化规律。指出不同的加载方式对封隔器胶筒所获得的接触压力有较大的影响,胶筒单向加载比双向加载能够获得更大的接触压力,2材料相同时,所产生的接触压力相差较大;胶筒端面斜角为40～50°、胶筒和套管壁的摩擦因数为0.5时,上下胶筒均能产生最大的接触应力,可获得最好的密封效果。     

扩张式封隔器胶筒力学性能分析

为了适应海上油田大排量反洗井的要求,开发了液控扩张式封隔器可洗井分注技术。对扩张式封隔器胶筒材料进行了力学性能测试,并系统地进行了封隔器胶筒结构有限元分析技术的研究。研究结果表明,封隔器胶筒橡胶的应力-应变呈非线性关系,随着温度的升高,橡胶材料强度会变弱,在温度为65℃时橡胶材料强度达到最低,继续升高温度,橡胶材料强度又会增加;当封隔器处于内压20.0 MPa工作状态时,上、下胶筒座的应力水平最高,最大Mises应力为413.2 MPa;在胶筒中,外层胶筒两端应力水平最高,可达46.4 MPa,胶筒两侧应变能密度最大;封隔器处于工作状态时,其肩部变形最大,伴随着压力的增加,变形的趋势减缓,应变能密度与工作压力基本呈直线关系。所得结果可为扩张式封隔器的结构设计提供理论依据。     

封隔器胶筒结构改进及优势分析

井下用封隔器的关键部件为弹性密封元件(胶筒),其结构影响到封隔器的密封性能。由于传统的封隔器结构为三胶筒,浪费材料、装配复杂,对胶筒结构进行改进,在精简胶筒数量的基础上,增加了1层紫铜包络层。采用非线性有限元分析方法,对传统胶筒结构和改进型胶筒结构的对比分析发现:改进型结构上胶筒起主要密封作用,接触应力比传统胶筒结构有明显提高,验证了改进型结构的可行性。     

带金属护肩封隔器的密封特性研究

针对胶筒肩部突出引起封隔器失效的问题,基于封隔器坐封过程,并考虑高温高压对封隔器密封性能的影响,建立了密封组件非线性接触模型,研究了带金属护肩封隔器的密封特性。研究结果表明,常用封隔器坐封过程中,封隔器胶筒表现出较强的肩部突出特性;胶筒肩部突出随坐封力增大而愈加严重,高温高压加剧肩部突出;阶梯坐封力从初始15 MPa增到38 MPa而最终坐封,随温度上升,左端与中间胶筒的接触压力都随坐封载荷的增大而增加,胶筒的密封性能在井温150℃时达到最优;井下温度30℃时压缩距离最大,随着温度升高,压缩距离逐渐变小但差别较小。     

遇油膨胀封隔器与地层的适应性研究

针对提出的封隔器密封性判据及结构设计方法,在对遇油膨胀封隔器胶筒在井下的接触压力及应力分布进行有限元计算分析的基础上,对该封隔器与地层的适应性进行了研究。研究结果表明,不同地层模型的胶筒最大安全下方压力与地层岩性的弹性模量成正比;泥岩、页岩和砂岩3种地层模型中的胶筒最大应力均低于胶筒的压缩永久变形强度,说明胶筒不会产生应力损坏;井壁地层岩石在井下三轴应力作用下的最大剪应力随胶筒接触压力的增大而线性增大,不同岩性地层下最大地层剪应力随封隔器接触压力的增大速率和地层的弹性模量成正比,地层剪应力的最大值处于地层岩石的45°方向上,最小值分布于其垂直方向上。     

小直径井下分层治理工具关键技术

对用于套变套损井、厚壁套管井等的小直径分层治理工具密封胶筒密封效果差、甚至不密封的现象进行了分析,对Y221-100封隔器、Y445-100桥塞密封胶筒两端加装保护台肩,对K341-95封隔器采用钢带硫化处理提高了钢带和橡胶的胶结强度,对K344-95胶筒采用一端固定另一端浮动密封,减少胶筒扩张后的应力等方法避免胶筒破裂,增强密封性能.现场应用达到了技术指标要求.     

基于纳米流控系统的超弹套管保护套结构原理与性能试验

针对套管承受非均匀载荷及压力温度变化引起的气窜问题，利用纳米流控能量吸收/转换系统所具有的独特的温变压变特性，提出了在套管外包覆超弹套管保护套的方法，介绍了超弹套管保护套的结构和原理，并通过压力-体积试验和温变试验测试了MFI型沸石-水流控系统的性能。压力-体积试验发现，MFI型沸石-水流控系统中的功能流体（水）随外界压力与温度的变化自发流入或流出纳米多孔介质的孔道，通过体积变化平衡外压或温度的变化，降低套管失效概率与气窜风险。温变试验发现，当温度在30~75℃之间变化时，该套管保护套的压力阈值随温度升高而降低，其形变能力随温度升高而增强，具有优异的温变工作特性。研究表明，套管外包覆合适超弹套管保护套，利用其温度和压力变化下良好的变形协调能力，可有效解决复杂工况下套管外气窜的问题。      

无骨架内衬扩张式封隔器的研制与现场试验

为解决常规钢丝帘线或重叠钢片式扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱的问题,通过设计无骨架内衬扩张式胶筒,研制了无骨架内衬扩张式封隔器。该封隔器采用两端嵌套弹簧的方式来提高胶筒多次坐封的可靠性,在工作压差2.5~5.0 MPa下,胶筒可以充分胀封并可靠密封。室内试验表明,无骨架内衬扩张式封隔器在150℃下可以反复坐封/解封50次,双向承压85 MPa,解封后胶筒残余变形率小于1.5%。该封隔器在延长油田2口老井重复复压裂施工中进行了试验,其坐封显示明显,且在井内工作50 h多后,顺利解封,封隔器胶筒完好,外径仅由108 mm扩大至109 mm。研究结果表明,无骨架内衬扩张式封隔器封隔能力强,能重复坐封、解封,比常规扩张封隔器胶筒残余变形小,更易于解封起出管柱。      

基于正交试验的压缩式封隔器胶筒的结构参数优化

主要用于封隔油管与套管环形空间的封隔器胶筒在现场使用中常常出现密封失效和撕裂失效等问题。为了解决上述突出问题,基于虚功原理、Von Mises屈服原则及接触非线性理论,建立了压缩式封隔器胶筒工作中的三维有限元计算模型,采用正交优化方法,对胶筒的关键结构参数长度、厚度和倒角尺寸进行了优化,获得了胶筒关键结构参数的最优组合方案,并对优化前后封隔器胶筒的力学性能进行了对比分析。研究结果表明：①对胶筒密封性能影响由大到小的因素排序为：厚度、倒角尺寸、长度;②胶筒关键结构参数的最优组合应为长度80 mm、厚度20 mm、倒角尺寸10 mm;③较之于优化前,优化后的胶筒与套管间的最大接触应力平均提高70.44%、胶筒最大Mises应力平均降低15.72%、胶筒的压缩距平均降低37.82%;④在相同坐封载荷作用下,优化后的胶筒增大了胶筒与套管间的接触应力、降低了胶筒自身的Mises应力。结论认为,经过参数优化后的封隔器胶筒能够更好地满足现场使用中的密封性能和寿命要求。     

锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素

锦纶帘线封隔器胶筒适用于井眼小、井壁不规则、地层压力大的裸眼井况,但是也存在着承压性能低、密封性能差等不足。为了提高锦纶帘线胶筒的工作性能,通过拉伸试验和Gough-Tangorra理论获得橡胶和帘线的材料参数,建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,并结合室内试验验证仿真模型的准确性;进而研究不同坐封压力下锦纶帘线胶筒应力和接触应力变化规律,系统地分析了帘线角度、帘线层数和帘线间距对胶筒承压性能和密封性能的影响。研究结果表明:①试验测得锦纶帘线胶筒最大坐封压力为70MPa,最大工作压力为50 MPa,残余变形为3.2%;②基于REFINE 265单元建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,仿真结果与试验结果误差小于15%,可以满足工程分析的需求;③随着帘线角度从14°增加至20°,帘线应力线性增大,橡胶应力和接触应力小幅度降低;④随着帘线层数从2层增加至8层,橡胶应力和接触应力显著下降,帘线应力加速下降,最高下降幅度达到64%;⑤随着帘线间距从1.4 mm增加至2 mm,橡胶应力和帘线应力同步增大,接触应力降低。结论认为,该研究成果为提高锦纶帘线胶筒的工作性能提供了理论依据。     

裸眼中测封隔器胶简骨架材质与力学分析及其改进

针对裸眼中途测试封隔器胶筒骨架落井现象，在对压缩式裸眼测试封隔器胶筒骨架材质分析的基础上，运用有限元方法对胶筒骨架应力和变形进行了分析，并以胶筒骨架强度安全为前提提出了裸眼中测允许测试压差的计算方法。分析结果表明，“细脖子”与扣盘结合处应力最大，最易损坏；球墨铸铁虽有较高的强度和韧性，但脆性较大，在较大冲击载荷下易损坏。为此，提出用强度更高且易磨的优质合金结构铜35CrMo取代球墨铸铁作为胶筒骨架材料，并在胶筒骨架与橡胶接触部位加工了特殊形状的容胶槽，从而提高了胶体与胶筒骨架的结合强度。     

裸眼中测封隔器胶筒骨架材质与力学分析及其改进

针对裸眼中途测试封隔器胶筒骨架落井现象,在对压缩式裸眼测试封隔器胶筒骨架材质分析的基础上,运用有限元方法对胶筒骨架应力和变形进行了分析,并以胶筒骨架强度安全为前提提出了裸眼中测允许测试压差的计算方法。分析结果表明,"细脖子"与扣盘结合处应力最大,最易损坏;球墨铸铁虽有较高的强度和韧性,但脆性较大,在较大冲击载荷下易损坏。为此,提出用强度更高且易磨的优质合金结构钢35CrMo取代球墨铸铁作为胶筒骨架材料,并在胶筒骨架与橡胶接触部位加工了特殊形状的容胶槽,从而提高了胶体与胶筒骨架的结合强度。     

封隔器胶筒结构优化及优化方法比较

以接触应力和胶筒体积作为优化目标,采用有限元方法对封隔器胶筒进行结构优化设计。首先对胶筒坐封过程进行分析,在此基础上分别以胶筒与套管的接触应力和胶筒的截面积为目标函数,采用不同的优化方法获得相应优化序列。以接触应力为优化目标时,优化后胶筒主要尺寸为长度65 mm,窄头宽度10 mm,肩部倾斜角45.12°,外径113 mm,胶筒与套管间的平均接触应力比优化前提高8.40%。以胶筒体积为优化目标时,优化后胶筒主要尺寸为长度65 mm,窄头宽度10 mm,肩部倾斜角47°,外径110 mm,胶筒体积比优化前减小17.39%。将不同优化方法所得结果对比可知,一阶优化法的精确度较高。