基于ABAQUS的胶筒密封性能分析

桥塞胶筒是桥塞密封的核心,其设计的合理性和有效性都直接影响到井下作业的可行性。本文利用ABAQUS建立胶筒的有限元模型,模拟胶筒在井下坐封的非线性接触行为,分析了坐封载荷、摩擦因素、端面斜角和胶筒长度四个方面对胶筒密封性能的影响。结果表明胶筒和套管内壁间的接触压力随着坐封载荷的增加能够使不断增加。当胶筒充分膨胀,稳定坐封情况下,压缩距基本稳定在21mm左右,接触压力在12MPa左右;相同坐封载荷的情况下,选取摩擦系数0.4,端面斜角大于等于45°有助于提高胶筒的密封性能。     

水平井压裂投球滑套的改进及测试

压裂投球滑套是水平井多级压裂管柱中的核心技术产品,但常规投球压裂工具普遍存在抗冲蚀、抗内压和球座承压能力不足等问题,无法满足不动管柱大过砂量和3.175mm级差高承压的作业需要。该文以177.8mm套管内压裂工具为例,首先对滑套本体结构、球座接触尺寸进行优化,其次对球座表面进行涂层强化处理,再次进行有限元数值模拟优化,最后进行功能试验和下井模拟测试,达到了过液量500方以上和70MPa承压的工艺设计要求,满足了非常规油气井压裂增产的作业需要,为海上中深层开发奠定了技术基础。     

Y241封隔器在深层气井中的应用

针对以往深层气井压裂使用K344封隔器解封不彻底、密封效果不好的问题，采用Y241—114封隔器进行压裂，该工具坐封简单、密封效果好，自带水力锚和卡瓦减小了蠕动效应，增加了封隔器的密封性，在现场应用中取得了很好的效果。     

典型异型金属密封的特点及应用

阐述了金属密封的密封机理,指出其密封性能主要受密封结构材料、密封表面质量、密封面宽度、密封比压以及密封表面镀层等因素的影响。介绍了已在工业生产中广泛应用的典型异型金属密封的结构特点、材料、镀层及适用工况,包括金属空心O形圈、金属C形密封环、金属E形密封环、金属U形密封环、金属W形密封环等。     

陶瓷涂层加注管接头密封性能研究

球锥面密封结构是航空航天及化学工业中普遍采用的密封结构,对其密封性能研究及改进具有一定的工程应用价值。球锥面加注管接头的主要材料是1Cr18Ni9Ti,当重复使用时,接触表面极易发生磨损,影响密封特性。针对上述问题,采用涂层表面处理技术,提高表面抗磨损性能和密封性能。借助ANSYS有限元软件,模拟分析了接触表面的应力分布情况。陶瓷涂层弹性模量越大,接触应力越大,密封性越好,但粘结强度较低。当涂层与基体弹性模量相接近时,粘结强度较好。因此对4种陶瓷涂层进行等离子喷涂并进行密封及磨损试验研究。结果表明:TiN涂层加注管接头黏着磨损及磨粒磨损现象有较大改善,重复使用效果最好。     

压裂球座冲蚀磨损规律研究和结构优化

针对压裂球座锥段处冲蚀磨损严重将影响滑套的开启和压裂施工正常进行的问题,基于固液两相流和冲蚀理论,建立了压裂球座冲蚀模型,分析了球座冲蚀磨损原因。采用控制变量法,分析了压裂液排量、颗粒浓度、颗粒直径、黏度对球座冲蚀磨损的影响。通过分析可知:随着压裂液排量和颗粒浓度的增加,球座冲蚀速率增大;随着颗粒直径和黏度的增加,球座冲蚀速率减小。为减少球座冲蚀磨损,分析了不同锥角和结构形式的球座锥段冲蚀速率;得出锥角在20°~30°范围内最为合理,锥段为凹面结构和双角度结构的球座,其冲蚀速率都较小。分析结果对水平井投球滑套分段压裂技术的改进和现场压裂施工具有指导意义。     

单金属密封的结构优化及其密封性能研究

针对油气田勘探中,复杂的钻井工况导致动密封工作性能极不稳定的问题,结合单金属密封结构和井底高压环境,利用有限元方法对单金属密封受压情况下的接触压力进行分析。用雷诺方程计算单金属动密封的泄漏率,以减小最大接触压力和泄漏率为优化目标,利用正交试验和F评价方法对单金属密封结构参数进行优化,得到密封结构参数对密封面接触压力和泄漏率的影响情况,并将每个水平数对应的优化目标计算结果分别取平均值,得到不同水平影响下接触压力和泄露率平均值的变化趋势,从而确定密封结构的最优水平值,并借助有限元仿真对优化前后的密封性能进行对比。最后根据优化前后的密封结构参数加工2套密封试件,进行密封实验。仿真分析和实验结果表明：高压工况下优化前的密封面内侧磨损严重,钻井液颗粒容易侵入密封面;而优化后密封面的最大接触压力有所降低,动密封面的最高温度和泄漏率明显降低。研究结果对改进单金属密封的工作性能、提高井下动密封的可靠性有重要的现实意义。     

机械密封与磁性液体组合密封流体动压效应的研究

为提升机械密封与磁性液体组合密封的密封性能、减少泄漏量,建立了密封环与密封间隙内液膜的流固耦合模型。采用数值迭代方法进行了流固耦合场的数值分析计算,研究求解组合密封中密封环端面机械变形的解析方法,并通过ANSYS有限元法验证该解析法的适用范围。进一步研究了流固耦合模型对组合密封性能的影响。由于在密封环端面开设直线型槽的作用,密封环端面形成了一定的周向波度和径向锥度。而密封泄漏率随锥角的增大近似呈线性比例增大,泄漏率受锥角的影响较大。密封介质压力升高时,密封环端面周向波度随之增大而径向锥度没有明显变化,这是由于在密封环端面沿周向设有直线型槽作用,减少了锥度增加的幅度,从而减少了密封环端面间的泄漏量。     

三胶筒结构密封性能分析

桥塞胶筒是井下桥塞封堵成功的关键部件。本文利用ABAQUS建立三胶筒结构的有限元模型,模拟胶筒在井下坐封的非线性接触行为,分析了坐封载荷、胶筒长度组合、硬度组合和加载方式四个方面对三胶筒结构密封性能的影响。通过正交设计法,对胶筒硬度和长度这两个参数组合进行有限元仿真,最后得出一组最优组合:上下胶筒长度为60mm,硬度为70IRHD,中胶筒长度为70mm,硬度为60 IRHD。根据得出的最优组合,分析了坐封载荷和加载方式对其密封性能的影响。结果表明在相同压缩距下,单向加载的接触压力要大于双向加载的,加载端的接触压力更大;在不同坐封载荷作用下,其坐封后接触压力的大小之比:上胶筒中胶筒下胶筒。     

石墨密封环的珩磨工艺技术

石墨密封环,是当今最先进的机械密封形式,是机械密封中的关键零件之一。石墨密封环的加工质量直接影响主机的密封性能,影响机械密封的使用性能及安全。本文主要介绍了石墨密封环的珩磨加工,其中包括加工原理、工装结构、加工运动等方面。为提高石墨密封环的加工质量,保证石墨密封环生产,做好技术储备。     

Numerical study on improving the erosion life of ball seat for oil and gas reservoir fracturing

A method using Computational Fluid Dynamics (CFD) for structure optimization of ball seat is presented in this paper. The study aims to explore the erosion failure phenomenon and decrease the erosion rate of ball seat during hydraulic fracturing. To investigate the downhole erosion phenomenon, three dimensional CFD models are performed to analyze flow characteristics such as velocity, pressure, sand concentration and erosion distribution. And, the influences of parameters such as cone angle, structure style of ball seat on the flow characteristics are investigated. Based on simulation results, the maximum erosion area of the ball seat is found and the structure of ball seat is optimized. Furthermore, the validity of the simulation results is confirmed by performing an on-site experiment in a horizontal well, which shows that ball seat after structure optimization results in better erosion resistance and longer erosion life during oil and gas fracturing process.     

基于Ansys的不同截面密封圈密封性能仿真分析

目的对"凸"形、矩形和"Y"形截面密封圈的密封性能进行对比分析,为端面静密封形式的密封圈选型和结构设计提供参考。方法基于Ansys的大变形接触有限元分析,对3种不同截面密封圈进行应力和接触压力仿真分析,并对结果进行比较。结果 "凸"形截面密封圈在压缩过程中最大应力和最大接触压力变化均匀,最大接触压力面较宽;矩形截面密封圈最大应力变化均匀,最大接触压力在密封圈压缩量超过18%后呈现陡增现象;"Y"形截面密封圈最大应力和最大接触压力在密封圈压缩量超过18%后均呈现陡增现象,而且最大接触压力面狭窄。结论对于特定密封圈槽的端面静密封形式,"凸"形截面密封圈密封性能最优。     

基于响应面法的刀口金属密封结构优化设计

以有限元数值模拟为手段,通过一阶响应面建模,确定了满足密封判据的刀口金属密封结构设计参数的范围。采用均匀设计,建立了以设计参数为变量,以有效密封面宽、最大接触应力为响应的二阶响应面模型,并利用多目标优化方法和遗传算法,对响应面模型进行了优化求解,得到了优化的设计参数组合。有限元验证结果显示,优化后的密封结构具有更好的密封性能。     

基于组合优化策略的热封机构设计

目的通过组合优化策略对热封机构进行结构优化设计。方法建立热封机构有限元参数化模型和多目标优化模型,通过动力学有限元分析获得热封机构结构强度薄弱环节,并采用最优拉丁超立方实验设计对影响热封机构结构强度的主要参数进行研究,分析参数与应力位移之间的响应规律,构造基模型对热封机构进行基于组合优化策略的结构优化设计,取多岛遗传算法和序列二次规划法组合的优化策略逼近最优解。结果组合优化过程中的校正决定系数接近1,模型的结构应力最大值和位移最大值均降至许用范围内。结论对热封机构优化设计采用组合优化策略可行,结果可信度高,效果明显。     

基于冲蚀磨损理论的新型内防喷器阀座锥角研究

针对现有内防喷器失效率高等不足，提出一种结构新颖且密封可靠的自旋合式锥形密封内防喷器。对该新型内防喷器的阀座锥角进行了力学分析，并采用MATLAB对阀座锥角进行了优化。基于理论分析得到的结论，采用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）方法（标准k-ε湍流模型及Tabakoff-Grant冲蚀模型）及ANSYS CFX软件，对该新型内防喷器在不同钻井液流量及不同阀座锥角下的流场进行数值模拟分析，仿真结果表明容易发生冲蚀磨损的部位主要集中在上下阀座流道边缘及下部管壁处。通过对比多组仿真数据，提出了该新型内防喷器上下阀座的最优锥角为25°，并采用ANSYS Workbench静力学分析软件模拟了井喷时上下阀座密封锥面的接触应力分布，验证了冲蚀仿真分析得出的最优锥角的结论。样机试制后进行了密封性实验以验证其可靠性，结果表明该新型内防喷器无泄漏，满足密封性要求。研究结论为内防喷器的设计与改进提供了重要的理论依据，对油田生产设备的安全升级有重要意义。     

组合式车桥减速器壳盖设计优化

目的 加强组合式车桥减速器壳盖刚性和密封性,对其进行设计优化。方法 针对减速器壳盖刚性问题,在常用车桥减速器壳盖结构的基础上,对减速器壳盖周边进行翻边处理,并通过建立有限元模型对减速器壳盖刚性进行了分析计算。针对减速器壳盖渗透问题,采用了CAE分析技术对减速器壳盖进行密封性分析。为满足减速器壳盖与减速器接触平面度要求,在减速器壳盖周边接触面设计凸起压痕。结果 最终优化后减速器壳盖最大应力为155.4 MPa,小于材料屈服强度,刚性满足强度设计要求。采用CAE分析技术对减速器壳盖进行密封性分析,得出使用12个螺栓时渗漏处工作间隙为0.03 mm为最好的解决方案。结论 翻边处理后的减速器壳盖刚度高于未处理的减速器壳盖。减速器壳盖接触面设计凸起压痕,用12个螺栓拧紧减速器壳盖很好地解决了密封性和拆解问题。     

Cone bit bearing seal failure analysis based on the finite element analysis

Failure analysis of cone bit bearing seals is important in reducing production cost and preventing in-service component failure. However, a generally accepted criterion for their failure has not yet been established because of complexities in both their material properties and the environment. In this study, a two-dimensional axisymmetric finite element analysis (FEA) numerical model was established. FEA software was developed based on the Mooney–Rivlin constitutive model of the rubber material, and the penalty function contact algorithm. The distributions of stress, strain and contact pressure were analyzed to establish their effect on failure. The locations and causes of the failure and preventive measures were determined by comparison with an actual failure case. It was found that stress concentration and uneven pressure distribution occur at the seal. Rubber rings are highly and unequally compressed. Metal ring structure mainly determines sealing performance. To reduce the occurrence of failure, the structure must be improved by: designing an appropriate angle-tapered metal ring end face structure instead of a plane to change the trend in pressure distribution, increasing the contact area of the metal ring end face to reduce contact pressure and make the contact pressure distribution more uniform to reduce sealing surface wear, reducing the radial thickness to reduce the compression of the rubber ring, and improving back support structures to reduce the stress concentration. Results from the study can prevent and minimize risk for future failures to increase bit life and reduce drilling costs.     

滚动直线导轨副磨损特性和磨损机理试验研究

对国内外生产的45型滚动直线导轨副进行精度保持性对比试验,并对导轨副的精度保持性进行检测。基于Hertz接触理论和刚体动力学对滚珠和滚道的接触面进行了力学与变形分析,求出滚珠所受的最大接触应力,用Workbench进行仿真验证,为磨粒磨损机理和粘着磨损机理的研究提供参考。根据导轨副的运动工况和结构设计,使用场发射扫描电镜和白光干涉仪对上述试验后的导轨副的滚道和滚珠进行显微形貌观测,探究了导轨副的磨损特性和磨损机理。对比国内外滚动直线导轨副的滚道、滚珠的磨损程度,得出磨损是影响精度保持性的根本原因。     

印刷机偏心滚子轴承接触应力与变形仿真分析

目的对偏心轴承接触应力与滚子静、动态变形进行研究,得到接触应力与变形和结构与工况因素的关系。方法在Hertz线接触与弹流润滑理论下,建立滚子接触应力模型及静、动态滚子间接触变形的关系模型,利用有限元软件Ansys仿真计算。建立静、动(润滑与转速)态下滚子变形之间的关系公式,分析印刷机偏心双列圆柱滚子轴承的接触应力与变形及相互关系。结果滚子与内外套圈的接触应力均随径向载荷的增大而增大,滚子与内套圈的接触应力大于滚子与外套圈的接触应力;滚子的总接触变形量与径向载荷呈正比关系,滚子的内外接触应力与滚子的总接触变形量也呈正比关系;滚子的边缘出现应力集中,须用设计凸度的方法降低,从而更好地提高偏心轴承的整体性能。结论根据接触应力与变形的关系,可为偏心轴承的设计与优化提供理论依据。