壓縮式封隔器異型膠筒密封性能分析

2015-04-12 于桂杰中國(guó)石油大學(xué)( 華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)

　　為了提高油田分層開(kāi)采特別是非常規(guī)油氣完井技術(shù)中使用的封隔器常規(guī)膠筒的密封性能，使其應(yīng)力分布更均勻，通過(guò)在膠筒與中心管接觸一側(cè)的中間開(kāi)設(shè)小圓槽，設(shè)計(jì)出幾種具有不同半徑小圓槽的異型膠筒。采用非線性有限元方法，利用ANSYS 分析軟件建立封隔器膠筒有限元模型，對(duì)比分析常規(guī)膠筒和異型膠筒的密封性能，并研究圓槽半徑對(duì)封隔器密封性能的影響。結(jié)果表明：異型膠筒最大接觸應(yīng)力明顯高于常規(guī)膠筒，且接觸應(yīng)力分布均勻，因此其密封性能高于常規(guī)膠筒; 在一定范圍內(nèi)，圓槽半徑對(duì)接觸應(yīng)力影響不大，但圓槽半徑過(guò)大會(huì)降低封隔器的密封性，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)確定圓槽半徑。

　　隨著油田勘探開(kāi)發(fā)的深入，越來(lái)越多的深井、超深井、裸眼井開(kāi)發(fā)，以及高壓注水管柱技術(shù)、稠油熱采管柱技術(shù)、水平井采油及增產(chǎn)管柱技術(shù)、機(jī)械防沙管柱技術(shù)等深入應(yīng)用，對(duì)油田井下工具的性能要求也越來(lái)越高。作為石油勘探開(kāi)發(fā)的主要井下工具之一，封隔器被廣泛地應(yīng)用于石油開(kāi)采技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，封隔器的主要作用是實(shí)現(xiàn)封隔產(chǎn)層或施工目的層，防止層間流體和壓力相互干擾等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為封隔器的好壞，密封是關(guān)鍵。

　　目前封隔器的膠筒仍使用橡膠材料，在工作中靠管柱壓重或借助水力載荷壓縮膠筒實(shí)現(xiàn)密封，這種密封屬于接觸密封，其密封質(zhì)量的好壞關(guān)鍵取決于井壁與橡膠筒之間接觸應(yīng)力的大小。膠筒密封元件在承載變形時(shí)，要求應(yīng)力分布均勻，盡量避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為此，本文作者對(duì)常規(guī)封隔器膠筒進(jìn)行改進(jìn)，以減少膠筒上的應(yīng)力集中，利用ANSYS 軟件對(duì)改進(jìn)后的膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了模擬，分析了封隔器膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力。改進(jìn)后的膠筒具有較好的密封性能，為封隔器膠筒的設(shè)計(jì)提出了一種新的思路。

　　1、新型封隔器膠筒的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)封隔器膠筒的的變形規(guī)律、接觸應(yīng)力和密封原理，膠筒密封元件在承載變形時(shí)，其應(yīng)力分布越均勻，密封效果越好。但是通過(guò)對(duì)常規(guī)膠筒的模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在膠筒受力坐封之后，膠筒與套管壁的接觸應(yīng)力分布不均勻，在靠近加載端，接觸應(yīng)力比較大，在膠筒中部和下部，接觸應(yīng)力明顯減小。并且在分析膠筒變形規(guī)律發(fā)現(xiàn)，膠筒內(nèi)側(cè)( 也就是膠筒靠近中心管的一側(cè)) 中間部分最先向外彎曲變形，膠筒內(nèi)側(cè)中間部分材料離開(kāi)中心管，由此定性地認(rèn)為膠筒內(nèi)側(cè)中間部分的橡膠對(duì)變形影響不大。

　　觀察膠筒實(shí)際變形，其變形形式和模擬計(jì)算類(lèi)似，由此定性分析認(rèn)為，如果在膠筒內(nèi)側(cè)中間部位設(shè)計(jì)小圓槽結(jié)構(gòu)，可能會(huì)使膠筒在受力之后變形更加容易，使膠筒更加緊密地貼在套管壁上，增大接觸應(yīng)力，且使接觸應(yīng)力均勻分布。根據(jù)以上分析，在圖1 所示的常規(guī)膠筒內(nèi)側(cè)中間部分開(kāi)出一個(gè)半徑為1 ～5 mm 小圓槽( 其他結(jié)構(gòu)尺寸均不變) ，從而設(shè)計(jì)出幾種異型膠筒，如圖2 所示。

常規(guī)單膠筒封隔器示意圖