不同壁厚Φ139.7mm套管对封隔器胶筒接触应力的影响
张福涛
【摘 要】封隔器是油田分层开采工艺中必不可少的井下工具之一,其密封性能主要取决于胶筒与套管间的接触应力.而在油田生产中,不同壁厚的套管并没有与之相对应的井下工具,对于压裂井来说,井壁相差1mm,其对封隔器胶筒的密封作用有很大的影响.本文利用数值模拟软件分析不同壁厚的Φ139.7mm套管在载荷作用下封隔器胶筒与套管接触应力的变化,结果表明,随着坐封压力的增加,胶筒与套管之间的接触应力均呈上升趋势；套管内径越小,即封隔器胶筒与套管间隙越小,其密封效果越好.
【期刊名称】《内蒙古石油化工》
【年(卷),期】2013(039)009
【总页数】3页(P37-39)
【关键词】胶筒;套管壁厚;接触应力;有限元分析
【作 者】张福涛
【作者单位】胜利油田分公司采油院浅海所,山东东营257000
【正文语种】中 文
【中图分类】TE931+.2
1 概述
封隔器是油田分层采油工艺中重要的工具,其种类繁多,而在坐封方式上以压缩式为主[1]。封隔器的关键部件是具有弹性性能的胶筒,当胶筒承受轴向压缩载荷时,其产生轴向压缩变形和径向膨胀,使胶筒与套管之间产生接触应力,并藉此封隔环空,隔绝产层,达到分注的目的[2～3]。因此,研究胶筒与套管内壁之间的接触应力对研究封隔器胶筒的密封机制、优化封隔器的设计有重要意义。本文利用数值模拟软件对不同壁厚的套管模型进行了模拟,分析封隔器胶筒与套管接触应力的变化规律以及套管壁厚对接触应力的影响,为优化封隔器结构提供理论基础。
2 封隔器的基本结构及工作原理
图1 封隔器基本结构1.上接头;2.放松销钉;3.调节环;4.胶筒;5.垫片;6.中心管;7.下压环;8.“ 0”盘根;9.“0”型盘根 ;10.剪钉;11.接头;12.下接头
封隔器在工作过程中一般分为坐封、密封和解封三种工况。本文主要针对压缩式封隔器,故此处以Y111-115封隔器为例,其基本结构如图1所示。上接头和下接头与其它完井管串相连接,从而形成一套整体的井下密封装置,实现封隔环空,隔绝产层或施工目的层的作用,避免层间流体和压力之间的干扰,还可以控制产液,保护套管的井下工具。
工作原理:当封隔器下至设计井深后,下放管柱,靠油管柱重力,通过上接头中心管带动承重接头剪断坐封剪钉沿键下放,同时调节环压缩胶筒,密封油、套管环形空间。解封时,上提油管柱,释放封隔件,即可解封起出封隔器。
3 封隔器有限元模型的建立
3.1 材料模型
橡胶材料的本构关系一般是非线性的,只有在应变较小时,可近似地看成是线性的。橡胶在较小的外力作用下,就能显示出高度变形能力,外力除去后,又能基本恢复原来形状,其力学行为
表现为强烈的非线性,其力和伸长的关系不符合虎克定律。
近年来,描述橡胶类超弹性材料的非线性本构模型的研究取得了很大的进展,而且计算机技术和有限元分析软件的发展使得利用这些更精确的本构模型来分析橡胶材料成为可能。较常用的橡胶本构模型是Mooney-Rivlin模型,但这一模型能成功地描述没有填料的硫化胶的拉伸变形,却不能有效地描述其它变形,特别是压缩变形,而 Yeoh模型比较适合模拟炭黑填料天然橡胶的大变形行为,其形式简单而又有足够的精度,而且仅由单向拉伸试验的数据即可确定其系数,并且可以模拟其它变形的力学行为。因而,选用Yeoh模型进行模拟。其应变能函数模型[4]为:
式中:N、Ci0、dk为材料常数,由材料试验确定。对于不可压缩材料 J=1。
取三参数Yoeh模型,W=C10(I1-3)1+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3
它产生典型的S型橡胶应力-应变曲线。在小变形情况下,C10代表初始剪切模量;由于第二个系数 C20为负,在中等变形时出现软化;但由于第三个系数C30为正,在大变形情况下材料又变硬。
3.2 计算模型
封隔器胶筒的有限元计算,由于其边界条件的复杂性,使得必须将封隔器胶筒、坐封机构、封隔器胶筒内中心管以及与之被分隔的套管作为整体进行分析。封隔器胶筒内中心管以及与之被分隔的套管之间存在挤压作用,因此封隔器胶筒的有限元分析是个包含橡胶材料和金属材料的接触问题。而橡胶材料属于超弹性体,是不可压缩体,所以关于封隔器胶筒的有限元分析实际上是对超弹性体进行的非线性接触分析。
图2 封隔器结构图
为了快速而有效地求解问题,在数值模拟过程中作出了以下假设:①忽略油井温度变化对封隔器胶筒密封性的影响;②忽略封隔器胶筒、刚性隔环、中心管、套管等重力影响,假设几何结构是完全轴对称的理想模型;③假设橡胶材料是各向同性且均匀连续的。
封隔器胶筒、刚性隔环、中心管、套管等几何结构完全轴对称,在理想情况下,约束和载荷也是轴对称的。由于载荷和结构的对称性,封隔器胶筒属于轴对称问题。因此可以把封隔器胶筒的研究由三维变成两维问题,其上任意一点的应力、应变及变形只与坐标X和Y有关,而与其轴向位置无关,所以只需研究坐标平面XOY上的截面部分。
建立封隔器二维模型,其结构及有限元模型如图2所示,几何及力学参数如表1所示。边界条件为中心管和套管上下两端固定,下隔环固定,在上隔环上加载。
橡胶的不可压缩性用 PRXY=0.499近似表示;上下边胶筒几何形状以及材料参数完全相同,中胶筒长度比上下边胶筒短。通过单轴拉伸试验得到试验数据,由 Yeoh模型计算得到材料参数[5],对于上下胶筒而言,C10=2803600Pa,C20=-5392000Pa,C30=7227600Pa;对于中胶筒而言,C10=1329700Pa,C20=-651570Pa,C30=358360Pa。刚性材料弹性模量 EX=2.06×1011 MPa;泊松比PRXY=0.25。
表1 封隔器计算模型几何及力学参数名称 内径mm外径mm高度mm弹性模量MPa 泊松比中心管 50.0 80.0 260.0 206000 0.25套管119.7121.7123.7139.7260.0 206000 0.25上、下胶筒 80.0 114.0 70.0 9.14 0.499中胶筒 80.0 114.060.0 5.13 0.499
4 计算结果分析
4.1 不同壁厚套管对接触应力的影响
对于不同壁厚套管,利用数值模拟软件模拟胶筒接触应力分布变化。在上隔环上分别施加 6
MPa坐封力,胶筒与套管接触应力分布如图3所示。
图3 不同套管的筒接触应力分布图
由图中可以看出,对于和套管来说,上胶筒接触应力最大,而对于套管,上胶筒和中胶筒接触应力相当。随着套管壁厚的增加,胶筒与套管之间的间隙变小,胶筒与套管的接触应力增大,且上胶筒接触应力增加较为明显。此现象是由于中胶筒较软,首先和套管接触,在摩擦力的作用下,上胶筒承受的轴向载荷比下胶筒承受的轴向载荷大,故而上胶筒接着与套管接触,最后下胶筒与套管接触。当胶筒与套管之间的间隙较小时,在相同载荷作用下,胶筒很快与套管接触,且接触长度较大,进而摩擦力较大,导致上胶筒所受轴向载荷比中胶筒和下胶筒大的多,从而上胶筒接触应力增加较为明显。当胶筒与套管之间的间隙较大时,胶筒与套管的接触应力减小,且接触长度减少。因此,不同尺寸的套管对封隔器胶筒的密封作用有很大的影响。
4.2 不同载荷对胶筒最大接触应力的影响
对三种套管结构下,分别在上隔环上施加 1～8MPa的坐封压力,胶筒与套管的最大接触应力变化如图4所示。
由图4可以看出,随着坐封压力的增加,胶筒与套管之间的最大接触应力均呈上升趋势,当坐封载荷大于 4MPa时最大接触应力与坐封力几乎呈正比。且间隙越小,最大接触应力增幅越快,间隙越大,最大接触应力增幅越慢。
图4 不同坐封压力下胶筒与套管最大接触应力
5 结论
①套管壁厚越大,胶筒与套管之间的间隙越小,在同等条件下产生的接触应力越大。②坐封力增大,接触应力增加,密封性增强,且间隙越小,最大接触应力增幅越大。当坐封压力为7MPa时,套管壁厚增加1mm,胶筒与套管之间的最大接触应力增幅大于1MPa。研究结果可为密封压差要求较高的油水井现场封隔器选型提供技术指导。
[参考文献]
[1]《油田用封隔器及井下工具手册》编写组.油田用封隔器及井下工具手册 [M].北京:石油工业出版社,1981.
[2]江汉石油管理局采油工艺研究所.封隔器理论基础与应用 [M].北京:石油工业出版社,1983.
