【摘要】本文以Y341防突封隔器為研究對象，建立封隔器有限元模型，并簡單介紹了分析該膠筒所采用的Mooney-Rivlin模型，分析了不同載荷對膠筒接觸應(yīng)力的影響，得出了膠筒接觸應(yīng)力沿軸向的分布規(guī)律，并從中可以看出封隔器的密封性能主要取決于中膠筒，其結(jié)果可為優(yōu)化封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)起指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】防突封隔器；膠筒；有限元；接觸應(yīng)力

引言

封隔器在現(xiàn)場作業(yè)中，常常由于膠筒與套管接觸應(yīng)力的下降而導(dǎo)致坐封失效。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，人們研究了一種膠筒端部結(jié)構(gòu)——防突環(huán)，稱這種封隔器為防突封隔[1]。

隨著鉆采、完井工藝的不斷發(fā)展以及井下工況的日趨復(fù)雜，對封隔器的性能提出了更高的要求。膠筒作為封隔器性能的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對封隔器密封性能的影響越來越備受關(guān)注。本文基于這種趨勢針對改進(jìn)后的Y341防突封隔器進(jìn)行了有限元分析，得出了膠筒與套管的接觸應(yīng)力規(guī)律，其分析結(jié)果對改進(jìn)膠筒結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。

1、計(jì)算模型的建立

Y341防突封隔器計(jì)算模型由中心管、膠筒、套管、隔環(huán)以及防突環(huán)組成，如圖1所示。網(wǎng)格尺寸劃分原則是：膠筒使用邊長為4的四邊形四節(jié)點(diǎn)二維實(shí)體單元，單元類型為PLANE42，中心管、隔環(huán)、防突環(huán)與套管均為42CrMn材料，選用邊長為5的四邊形四節(jié)點(diǎn)二維實(shí)體單元，單元類型為PLANE182。用面面接觸單元CONTA172和TARGE169模擬膠筒與套管、膠筒與中心管、膠筒與防突環(huán)以及隔環(huán)和防突環(huán)間的接觸。

通過試驗(yàn)測得上下膠筒和中膠筒的材料常數(shù)值，并采用Mooney-Rivlin的橡膠本構(gòu)模型進(jìn)行坐封仿真，其有限元計(jì)算模型的幾何和力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)實(shí)際工況下的受力分析，將套管與中心管進(jìn)行固定約束，上隔環(huán)與封隔器本體相連，上隔環(huán)進(jìn)行固定約束，膠筒之間隔環(huán)與下隔環(huán)進(jìn)行X方向約束，Y方向自由約束。

2、Mooney-Rivlin模型

Mooney-Rivlin為變形張量不變量本構(gòu)模型。該模型幾乎能夠反映所有橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，適用于拉伸應(yīng)變約為100%和壓縮應(yīng)變約為30%的情況，但是該模型的缺點(diǎn)是不能夠模擬多軸受力行為。根據(jù)不同的特定需求，ANSYS有限元分析軟件配備有多種Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，這些模型的區(qū)別在于其二階展開式的項(xiàng)數(shù)不一樣。Mooney-Rivlin模型應(yīng)變能密度函數(shù)[2]：

3、計(jì)算結(jié)果與分析

為模擬封隔器坐封過程中膠筒與套管內(nèi)壁接觸情況，分別向膠筒下端隔環(huán)施加4～14MPa軸向載荷，觀察膠筒的變形情況。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著軸向坐封載荷增加，開始時(shí)由于中膠筒彈性模量相對較低，中膠筒首先與套管內(nèi)壁接觸，中膠筒與套管內(nèi)壁接觸后的摩擦阻力使得上膠筒所受到的軸向壓縮載荷小于下膠筒的壓縮載荷，故在中膠筒與套管內(nèi)壁接觸后，下膠筒先于上膠筒與套管內(nèi)壁接觸，并且隨著軸向載荷增加和摩擦阻力不斷增大，下膠筒的接觸應(yīng)力超過中膠筒的接觸應(yīng)力，最后上膠筒與套管內(nèi)壁接觸。坐封過程三個(gè)膠筒與套管內(nèi)壁的接觸壓力與軸向載荷的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著坐封載荷的增加，膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力逐步增大。這是因?yàn)橹心z筒的硬度低、彈性模量小以及接觸面積大的特點(diǎn)，因此三個(gè)膠筒里中膠筒與套管的接觸壓力最大。盡管上下膠筒的材料和幾何形狀完全相同，由于從下隔環(huán)加壓和摩擦阻力的作用，上膠筒的變形以及上膠筒與套管的接觸壓力均小于下膠筒。坐封完成以后，中膠筒的接觸壓力最大，下膠筒的接觸壓力次之，上膠筒的接觸壓力最小，所以封隔器中起關(guān)鍵作用的是中膠筒。

4結(jié)論

（1）膠筒坐封時(shí)，上中下膠筒的接觸應(yīng)力沿膠筒接觸長度并不相同。

（2）在不同的軸向載荷下，三個(gè)膠筒的接觸應(yīng)力分布不同，但是中膠筒的接觸面積始終最大，下膠筒次之，上膠筒最小。

（3）坐封時(shí)膠筒中部先與套管接觸，然后逐漸向兩端擴(kuò)散，同時(shí)Y341防突封隔器的密封性能主要取決于中膠筒，中膠筒的接觸壓力越大，封隔器的密封性能越好。

參考文獻(xiàn)

[1]張德彪，侯軍，馬衛(wèi)國，蔡子龍.防突結(jié)構(gòu)對封隔器密封性能的影響分析[J].石油機(jī)械，2010，38（12）：53-55.

[2]Qi ZHANG，Hao YANG，Yuguang WEI et al.Selection of Destination Ports of Inland-Port-Transferring RHCTS Based on Sea-Rail Combined Container Transportation[C].//Innovation and sustainability of modern railway： Third international symposium on Innovation and sustainability of modern railway （ISMR 2012）， September 20-21， 2012， Nanchang， China.2012：675-680.

[3] Bin LI，Simao Zhang.Contact pressure research of drill pipe and packer of rotating blowout preventer[C].//Frontiers of manufacturing and design science II. Part 1.2012：3177-3181.

[4] Mooney R.A theory of large elastic deformations[J].J Applphys， 1940，11：582-592.

[5]李曉芳，楊曉翔，王洪濤.封隔器膠筒接觸應(yīng)力的有限元分析[J].潤滑與密封，2005，（5）：90-93.

[6]劉天良，施紀(jì)澤.封隔器封隔時(shí)膠皮筒接觸應(yīng)力的模擬試驗(yàn)研究[J].斷塊油氣田，2001，7（4）：51.

作者簡介

張廷，1984年，男，湖北襄陽人，漢族，助理經(jīng)濟(jì)師，碩士，現(xiàn)主要從事石油鉆采設(shè)備銷售.