压缩式密封胶筒的密封可靠性分析与研究

通过分析压缩式密封胶筒的失效机理及失效形式,发现应力集中和胶筒端面挤压破坏是引起胶筒失效的根本原因。根据胶筒的力学模型、变形方程、应力应变方程获得的剪切应力模型,并将胶筒的结构参数、材料属性、载荷等影响因素作为不确定性影响因素,应用应力-强度干涉理论建立了胶筒密封的可靠性模型,利用结构可靠性概率分析法的四阶矩技术,分析和计算胶筒密封性能的可靠性及灵敏度,发现影响胶筒密封可靠性的主要影响参数及参数变化的灵敏度。该分析方法可作为工程应用中胶筒的可靠性评估指标及结构参数设计的依据,对胶筒工程应用中的故障诊断和维修具有重要的指导意义。     

高温高压封隔器胶筒密封结构设计

随着深井、超深井的开发，封隔器坐封后将长时间承受高温高压、腐蚀等极为复杂的工况。设计一种封隔器胶筒密封结构，该密封结构根据功能特性选取不同的材料，使封隔器能够满足井下高温高压等较为复杂的工况要求。根据实际的井下极端工况条件，对设计的封隔器进行坐封、密封测试，利用商用软件ABAQUS对胶筒在给定工况下的力学行为进行分析。结果表明：设计的封隔器能够在0.2 MN坐封力、204 ℃温度和70 MPa密封压力下稳定工作；在给定的70 MPa压差下，封隔器胶筒橡胶应力水平未达到材料的屈服点，能够保证封隔器的耐久性和可靠性；橡胶胶筒能够产生大于70 MPa压差的接触应力，保证封隔器能承受70 MPa压差。     

刚柔混合非线性转子系统的动态应力可靠性及可靠性灵敏度研究

以工程实际中具有复杂结构的非线性转子系统为研究对象,以有限元分析软件和多体动力学仿真软件为平台,建立参数化刚柔混合非线性转子动力学模型,对转子系统进行动力学仿真,并结合神经网络技术,随机摄动技术,可靠性设计和可靠性灵敏度设计相关理论,建立动态应力可靠性模型,提出对具有复杂结构的非线性转子系统的可靠性灵敏度设计的新方法,研究设计参数的改变对转子系统可靠性的影响,得到可靠性对基本随机变量均值和方差的灵敏度,在基本随机变量是混合变量的情况下对其灵敏度进行量纲一化,将各个基本随机变量对可靠性的影响程度进行排序,为产品在设计阶段提供理论参考,有着积极的现实意义和理论价值。     

裸眼井中扩张式封隔器密封性能研究

以K344型扩张式封隔器为研究对象,建立了裸眼井中封隔器密封元件计算模型,应用有限元软件ANSYS模拟分析了坐封过程中胶筒与井壁接触压力的变化规律。结果表明:随载荷增加,胶筒与井壁接触压力逐渐增加,增加趋势先较快后相对减缓;载荷较小时,胶筒肩部和中部与井壁的接触压力基本相同,随载荷增加,胶筒肩部与井壁接触压力将大于胶筒中部与井壁接触压力。胶筒肩部在密封井壁环空压差时起关键作用,胶筒肩部与井壁的接触压力越大,封隔器密封性能越好。     

考虑温度和扭转载荷的封隔器胶筒可靠性研究

探讨胶筒密封的可靠性及其评价方法,利用ABAQUS分析软件建立某封隔器胶筒的有限元模型,分析工作载荷为58.15 MPa时,温度变化(25～100℃)对胶筒的密封可靠性、弹性变形可靠性和损伤可靠性的影响,分析温度和扭转载荷对胶筒损伤可靠性的影响。结果表明:轴向载荷不变时,随着温度的升高,胶筒的密封可靠性、压缩永久变形率和回弹极限逐渐增加,胶筒的使用寿命也随温度的增加而提高,在100℃下密封性能系数达到2 297.8 MPa·mm,回弹极限达到27.27 mm,使用寿命达到约67天;随着温度的升高,胶筒发生疲劳的部位从下端向上端转移;扭转载荷将降低胶筒的使用寿命,温度越低扭转载荷越大,使用寿命降低越明显。     

压缩式裸眼封隔器胶筒密封结构研究

水平井裸眼分段压裂完井技术的核心工具之一是压缩式裸眼封隔器,由于封隔器处于高温、高压、复杂深部地层环境,常出现坐封压力低、坐封提前失效,主要原因是封隔器的密封结构不合理,胶筒与井壁间的接触应力低。基于弹性力学理论,推导出封隔器胶筒坐封时受到的最大接触压力,并提出了一种新型压缩式裸眼封隔器四胶筒组合的密封结构,利用Abaqus对比分析了常规和新型组合胶筒在相同条件下的接触应力分布规律,并对新型组合胶筒的端面斜角进行了优选,研究了摩擦因数对新型组合各胶筒接触应力的影响。分析表明,新型四胶筒组合封隔器能更加有效的将坐封压力传递给密封胶筒,使胶筒的接触应力显著提高且分布均匀,保证了胶筒密封的可靠性。     

封隔器胶筒结构参数优化分析

封隔器密封元件的橡胶属于超弹性材料,在井下多种载荷作用下,其力学行为复杂.文中以压缩式筒状胶筒为研究对象,应用有限元软件对端面斜角和胶筒长度进行了接触应力分析,得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律,由此可确定合理的筒式胶筒结构参数或合理的作业措施.     

深井长时效隔采封隔器的研制

针对油田深井中封隔器使用时效短、锚定能力差、无防倒灌等缺点,设计了适合深井使用的长时效隔采封隔器.长时效隔采封隔器采用压缩胶筒和扩张胶筒形成复合密封,利用圆柱双向卡瓦作为锚定零件.在长时效隔采封隔器管柱中配置滑套开关,可以有效保证长时效隔采封隔器的时效性和锚定强度,减小套损水对油层的影响.分析长时效隔采封隔器中胶筒的力学特性,并对扩张胶筒进行密封测试,得出对胶筒性能的影响参数.     

基于ANSYS的封隔器接触应力分析及结构优化

封隔器是油田采油中重要的井下工具之一。封隔器的工作好坏,密封是关键。胶筒与套管之间的接触应力的大小,可以直接反应出封隔器的密封能力,接触应力越大,封堵压差的能力就越高,密封效果最好。采用非线性有限元分析方法,对封隔器胶筒与套管之间的接触应力进行研究,并对胶筒的壁厚进行了结构优化。综合考虑封隔装置受挤压后的变形过程和受力过程,得到此型号封隔器胶筒的最优壁厚。将最优胶筒壁厚的有限元分析结果与地面实验结果进行比较,前者可行有效,且具有较好的工程应用价值。     

梯形隔环和槽形胶筒组合式封隔器密封结构的优化设计

为了提高封隔器的密封性能,设计一种沿径向对称的梯形隔环和槽形胶筒组构成的新型密封结构,运用有限元分析方法模拟封隔器的工作状况,分析梯形隔环结构特性参数对封隔器密封性能影响,获得不同梯形隔环结构参数下封隔器胶筒组与套管壁间接触应力分布规律,并对新型密封结构进行优化。结果表明:新型密封结构选择梯形隔环中心线距离隔环端面距离10 mm、梯形隔环下底高9 mm、梯形隔环上底高8 mm,梯形隔环高度9 mm的特性参数时,其最大接触应力比常规密封结构提高了约84%。新型密封结构的胶筒组与套管壁的接触应力比常规封隔器有显著提高,提高封隔器的密封性能。     

基于安全系数法的封隔器胶筒可靠性研究

针对目前胶筒的结构易失效和可靠性低等问题,以胶筒的抗剪失效为目标,基于安全系数法,引入设计变量的随机性,建立正态分布下胶筒的可靠性模型。对胶筒工作应力和强度的影响因素进行分析,基于相邻目标优属度的AHP方法,综合获得可靠性模型的相关参数值;对密封胶筒静强度可靠性要求下的可靠性安全系数进行计算,并给出不同层次下密封胶筒可靠性安全系数的参考值。建立胶筒的有限元分析模型,根据剪切应力评价准则计算了胶筒可靠性安全系数的取值范围,并通过实例验证理论计算结果的合理性。     

基于Ansys的封隔器密封胶筒性能优化

封隔器密封胶筒在井下实际应用中力学特性复杂,同时需要承受高温高压饱和水蒸汽的强腐蚀作用,故对胶筒材料性能的要求异常苛刻。为改善密封胶筒的结构稳定性及高温高压水耐腐性,以密封胶筒为研究对象开展有限元仿真分析,通过胶筒结构参数、界面摩擦性能和材料特性等因素对其力学特性及密封性能影响规律的比较,提出软硬质材料多层堆叠及环端面金属包覆结构以实现性能优化。仿真结果表明,优化后的结构改善了密封胶筒肩部的挤出现象,增大了接触区域的密封效果,同时阻挡了高温高压水对胶筒的腐蚀。     

一种新型Y341型封隔器的研制与应用

针对油田常规Y341型封隔器结构较长、密封不可靠、坐封压力高、解封载荷大等问题,设计了一种新型Y341型封隔器。该封隔器总体结构紧凑,总长较短,密封结构独特可靠,洗井后重复密封可靠性高,坐封压力低,解封力小。能够方便可靠地完成油田的分层注水及注聚作业。     

水平井裸眼封隔器密封结构优化研究

针对水平井压缩式裸眼封隔器存在的密封性差、坐封力低、胶筒与井壁间存在间隙等问题,对其密封结构进行改进与优化,设计出一种凸球形隔环和凹球形胶筒组相结合的新型密封结构。运用 ABAQUS 软件模拟密封结构封隔器胶筒的坐封情况,获得胶筒组轴向接触压力的分布规律,并分析胶筒硬度和摩擦因数对接触压力的影响。结果表明：新型密封结构凸球形隔环在轴向压缩胶筒的同时也起径向压缩作用,提高了胶筒与井壁和中心管间的接触压力,增强了封隔器的密封性能;胶筒与井壁间的接触压力随着胶筒硬度和摩擦因数的增大而增大,但过大的摩擦因数会导致下胶筒接触压力明显减小,应选择硬度和摩擦因数合适的胶筒,从而保证封隔器的密封可靠性。     

水下设备密封胶筒截面形状的响应面优化

胶筒的密封性能对于封隔器等水下设备来说极为重要,而胶筒的截面形状是影响胶筒密封性能的重要因素之一。一般来说,胶筒的上端与下端受到的约束条件并不相同,并且在密封性能方面,胶筒上端接触压力更大,且胶筒的各个结构参数相互影响。因此建立综合考虑胶筒上端厚度与倒角角度的二维数值模型,以外筒内侧受到的应力为优化目标,引入防肩突变量作为防止肩突发生的约束条件,利用响应面优化方法结合多目标遗传算法,对胶筒的端面厚度和角度进行优化。结果表明：在有限元仿真中,防肩突变量可有效地反映出胶筒在挤压过程中是否出现的肩突情况;在优化过程中加入防肩突变量进行约束,可避免得到产生肩突的胶筒结构参数值。优化得到了胶筒上端厚度比下端厚度大的胶筒截面结构,其密封性能比传统的胶筒截面结构更有优势。提出的不对称胶筒截面形状对类似密封件的研究有重要的理论意义。     

压裂酸化封隔器胶筒结构密封性能分析与优化

封隔器是压裂酸化过程中的重要工具之一,而胶筒是封隔器的核心零部件,胶筒的好坏直接决定了封隔器的工作性能。针对压裂酸化用某Y344型封隔器利用有限元技术开展密封结构性能分析与优化研究,获得了胶筒对套管的接触压力分布规律,考虑接触压力与面积两个因素建立了结构密封性能评价方法,分析了胶筒长度与组数变化对密封性能的影响,为封隔器产品开发与使用提供了理论基础。     

封隔器的密封性判据及结构设计方法研究

在理论分析基础上,提出封隔器密封性的评判准则,建立考虑封隔器封隔性、地层完整性和封隔器胶筒安全性等综合因素的封隔器密封性判据,提出基于封隔器密封性判据的封隔器结构设计方法。该方法可以利用数值模拟的方法实现对封隔器胶筒的结构设计,可适用于不同类型的封隔器的设计,为现场封隔器的密封性判断以及封隔器的结构设计提供了理论依据。     

封隔器胶筒接触应力的有限元分析

通过实测封隔器胶筒所用橡胶材料的应力应变数据，在ANSYS有限元分析软件中用超弹性本构模型对实验数据进行拟合，通过比较选择了能更精确描述封隔器胶筒的应力应变关系的Yeoh模型，进而对封隔器压缩式胶筒的接触应力进行了数值模拟，得到接触应力沿轴向的分布情况。     

广义随机空间内相关系数的可靠性灵敏度

在可靠性分析的优化方法基础上,对随机变量间相关系数在可靠性分析中的重要性进行了分析;通过对随机变量间相关系数的可靠性灵敏度的计算和分析,得到了随机变量间相关系数的改变对结构可靠性的影响。通过实例计算来展示该方法在工程实际中的应用情况。研究结果为确定随机变量间相关系数在可靠性分析中的重要性以及对结构可靠性的影响提供了分析方法,为统计分析工作以及可靠性设计提供了有益的参考。     

系统可靠性灵敏度分析方法及其应用研究

基于已有的单个失效模式可靠性灵敏度分析,建立多模式串、并联系统失效概率对基本变量分布参数的灵敏度分析方法,着重研究多模式并联系统可靠性灵敏度分析的近似方法.该方法以数字模拟为基础,根据样本点对系统失效概率的贡献,对计算失效概率的所有样本点进行筛选,并由筛选出的样本点线性回归模拟并联系统失效域,得到等价的单个线性极限状态方程,从而将多模式并联系统的可靠性灵敏度分析等价转换为单个模式的灵敏度分析.对于多模式串联系统的可靠性灵敏度分析,文中采用的方法是将串联系统的失效概率精确转换成单个模式失效概率与多个模式并联系统失效概率的代数和,然后逐项进行灵敏度分析,进而得到串联系统的可靠性灵敏度.对于结构系统的极限状态方程含有复杂综合随机变量的灵敏度分析问题,提出一种基于二次回归分析的近似处理方法,通过推导的综合随机变量分布参数对基本变量分布参数的偏导数公式和复合函数求导法则,最终得到复杂多模式系统失效概率对基本变量分布参数的灵敏度.文中用理论数值算例验证所提算法的精度与可行性,并将所提方法推广应用到工程算例中,验证其工程应用价值.