Y211型封隔器膠筒及卡瓦的有限元分析

孫金絹，田建輝，瞿金秀，陳 龍

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

封隔器是一種廣泛應(yīng)用于井下作業(yè)的工具，其密封效果是通過(guò)密封元件受到壓縮后膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。為了提高采油效率，在開采油田時(shí)經(jīng)常將封隔器或其他井下工具連接到油管柱上組成井下工藝管柱，通過(guò)封隔器對(duì)油層進(jìn)行分層，然后利用工藝管柱上的其他工具控制產(chǎn)層，從而滿足油田開采的需求。隨著我國(guó)油田開采規(guī)模的擴(kuò)大，油井深度不斷增加，部分地區(qū)水質(zhì)不好，井下工作環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，封隔器在井下作業(yè)中擁有不可替代的作用，一旦封隔器失效，采油效率將會(huì)大幅下降，相關(guān)研究表明因封隔器問(wèn)題導(dǎo)致工藝管柱失效的次數(shù)達(dá)到總失效次數(shù)的1/5[2-3]。目前封隔器在使用過(guò)程中，解封和井下工具的取出均存在一定的困難，這是亟待改進(jìn)的地方[4]。在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和數(shù)值模擬軟件來(lái)研發(fā)更加可靠的高性能封隔器已經(jīng)成為主流研究方法[5-6]。Y211型封隔器是一種單向卡瓦固定的壓縮式封隔器，在工作時(shí)通過(guò)提放管柱來(lái)實(shí)現(xiàn)坐封和解封。膠筒是封隔器實(shí)現(xiàn)密封管柱和對(duì)油井分層的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和機(jī)械性能對(duì)封隔器的可靠性有著較大的影響。膠筒在封隔器承受軸向載荷時(shí)會(huì)受壓變形使套管之間產(chǎn)生接觸壓力，從而在封隔油管與套管間形成環(huán)形空間，以滿足隔絕產(chǎn)層及保護(hù)套管等要求[7-19]。因此在實(shí)際使用過(guò)程中，密封元件的失效是封隔器失效的重要原因，為了研究封隔器密封性能需要對(duì)不同坐封載荷下膠筒變形及接觸應(yīng)力的變化進(jìn)行分析。Y211型封隔器在工作時(shí)需要依靠卡瓦進(jìn)行固定，坐封時(shí)卡瓦撐開并與套管咬合，卡瓦作為封隔器的關(guān)鍵零部件之一，其強(qiáng)度和壽命對(duì)于封隔器的性能有著重要的影響，一旦卡瓦失效，封隔器也會(huì)失效。因此文中基于ANSYS軟件對(duì)膠筒和卡瓦進(jìn)行有限元分析，研究不同影響因素下的變形位移及受力情況。

1 有限元分析過(guò)程

1.1 膠筒的有限元分析

對(duì)膠筒進(jìn)行有限元分析，首先將膠筒三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除倒角和圓角等特征后，將膠筒、擋環(huán)以及膨脹環(huán)進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入ANSYS軟件的Workbench模塊中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型，如圖1所示。在膠筒分析模型中，上下兩個(gè)膨脹環(huán)的材料采用硅錳(60Si2Mn)彈簧鋼，膠筒中間擋環(huán)的材料采用45鋼，膠筒主要由超彈性橡膠材料制成，在受到壓縮時(shí)會(huì)發(fā)生非線性形變，而且變形很大，在分析時(shí)需要進(jìn)行大變形設(shè)置，有多種本構(gòu)方程可以模擬橡膠材料的受力和變形，其中Mooney-Rivilin模型可以較好模擬橡膠材料的受力情況[8]。封隔器工作時(shí)，下膨脹環(huán)固定，上膨脹環(huán)施加密封壓力，使封隔器膠筒徑向膨脹，隨著密封壓力的增加，封隔器元件與套管逐漸接觸。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，達(dá)到密封狀態(tài)，從而使油管與套管之間形成密封。因此，需要給下膨脹環(huán)的下端面添加約束。為了模擬封隔器膠筒受到壓縮后的應(yīng)力和變形情況，在分析過(guò)程中對(duì)膠筒上膨脹環(huán)施加不同的載荷，從而得到不同載荷下膠筒的應(yīng)力和應(yīng)變值分布。

1.2 卡瓦的有限元分析

卡瓦的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在將其三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件之前需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，由于所設(shè)計(jì)的4個(gè)分瓣式卡瓦完全一致，只需分析一個(gè)卡瓦的受力及位移情況即可。劃分網(wǎng)格后得到有限元模型如圖2所示。

為了便于查看內(nèi)部網(wǎng)格已將其剖開顯示。卡瓦有限元模型中共有4個(gè)零件，中心管和套管的材料為35CrMo，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.300。錐體的材料設(shè)為45鋼，彈性模量為2.10×105MPa，泊松比為0.269?？ㄍ叩牟牧显O(shè)為40Cr，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.277。在封隔器工作時(shí)，套管可視為不可移動(dòng)，錐體與中心管裝配只能沿著中心管進(jìn)行軸向移動(dòng)，卡瓦由于有卡瓦座和箍簧，因此在其下底面添加約束，使其在錐體下移的過(guò)程中只能進(jìn)行徑向移動(dòng)?？ㄍ叩氖芰χ饕獊?lái)自錐體，因此在錐體上方施加載荷。

2 結(jié)果和討論

2.1 膠筒計(jì)算結(jié)果及分析

為了研究封隔器密封性能對(duì)膠筒影響，現(xiàn)分別施加載荷為10,20,30,40,50,60 kN，得到膠筒應(yīng)力分布云圖如圖3所示。膠筒對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力值分別為5.80,12.59,19.99,28.16,36.96,46.93 MPa。將不同載荷下的膠筒最大應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，得到其變化曲線如圖4所示。

由圖3～4可以觀察到膠筒的最大接觸應(yīng)力隨著施加載荷的增大而增大；在3個(gè)膠筒中，上膠筒所受的接觸應(yīng)力最大；每個(gè)膠筒的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在膠筒與金屬材料零件接觸的端面附近。

施加不同載荷后得到膠筒變形云圖如圖5所示，由圖5可得膠筒最大變形量分別為8.85,16.73,23.97,30.68,36.98,43.05 mm，將不同載荷下的膠筒最大變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，得到其變化曲線如圖6所示。由圖5～6可以觀察到封隔器受到不同大小的載荷時(shí)，膠筒的變形量較大，而其他零件如擋環(huán)及膨脹環(huán)的變形量較小，這體現(xiàn)了膠筒橡膠材料的彈性力學(xué)特性，因此選用Mooney-Rivilin模型來(lái)模擬膠筒壓縮過(guò)程以及在分析時(shí)所采用大變形設(shè)置是合理的。

圖6 膠筒最大變形量的變化曲線

由圖5膠筒變形云圖可以觀察到3個(gè)膠筒的變形量自上而下依次遞減，膠筒的最大變形量都位于膠筒靠近上端面與其他零件的接觸位置附近，而3個(gè)膠筒中，上膠筒的變形量最大，且在其上端面與上膨脹環(huán)接觸的上端面附近位置達(dá)到了最大值。

所以在設(shè)計(jì)封隔器結(jié)構(gòu)時(shí)，可以在膠筒兩端設(shè)計(jì)保護(hù)裝置即膨脹環(huán)和擋環(huán)，當(dāng)封隔器工作時(shí)，坐封載荷將會(huì)自上而下施加在彈簧鋼制成的膨脹環(huán)上，從而對(duì)提高膠筒密封性能和延長(zhǎng)使用壽命有較好的效果。

2.2 卡瓦計(jì)算結(jié)果及分析

封隔器在工作時(shí)需要依靠卡瓦進(jìn)行固定，坐封時(shí)卡瓦撐開并與套管咬合，為了得到卡瓦的受力規(guī)律，現(xiàn)施加不同程度的坐封力進(jìn)行有限元分析，載荷大小分別為5,10,15,20,25 kN，得到卡瓦位移云圖如圖7所示，卡瓦對(duì)應(yīng)的最大位移量分別為0.019,0.022,0.027,0.037,0.047 mm。將不同載荷下的卡瓦最大位移量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，得到其變化曲線如圖8所示。由圖7～8可知，隨著載荷的增大，卡瓦的位移量不斷增大；在錐體下移的過(guò)程中卡瓦上各齒之間位移大小各不相同，由上往下位移量依次減小，即最大位移出現(xiàn)在最頂部的齒上。

圖7 卡瓦位移云圖

圖8 卡瓦最大位移曲線

不同的載荷下卡瓦的接觸應(yīng)力云圖如圖9所示，卡瓦最大應(yīng)力分別為117.07,128.13,150.49,197.52,248.48 MPa。將不同載荷下的卡瓦最大應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，得到其變化曲線如圖10所示。由圖9～10可知，隨著載荷的增大，卡瓦所受到的應(yīng)力值不斷增大；卡瓦上各齒受力并不均勻，大小各不相同，從上到下依次減小，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在最頂部的齒上；卡瓦所受到的最大接觸應(yīng)力為248.48 MPa，小于40Cr材料的屈服強(qiáng)度極限785 MPa，經(jīng)校核卡瓦強(qiáng)度合格。文中所設(shè)計(jì)的卡瓦為單向分瓣式卡瓦，相比于雙向卡瓦結(jié)構(gòu)緊湊，在封隔器工作時(shí)錐體受到軸向載荷向下移動(dòng)，錐面的設(shè)計(jì)使得卡瓦撐開進(jìn)而與套管接觸咬合使得封隔器固定，因此首先進(jìn)行咬合的必然是最上端的齒，并且受力是最大的，同時(shí)其軸向位移也最大，與本次分析的結(jié)果相吻合。

基于ANSYS軟件對(duì)Y211型封隔器的密封元件膠筒和固定元件卡瓦進(jìn)行了有限元分析，得到了膠筒在不同載荷下的應(yīng)力和變形量分布以及卡瓦與套管接觸時(shí)的應(yīng)力值和位移量變化規(guī)律，對(duì)提高膠筒密封性能和延長(zhǎng)使用壽命及保持卡瓦有效性從而提高封隔器的可靠性具有一定的指導(dǎo)作用。

圖9 卡瓦應(yīng)力云圖

圖10 卡瓦最大應(yīng)力曲線

3 結(jié) 論

文中對(duì)Y211型封隔器的密封元件膠筒和卡瓦進(jìn)行了有限元分析，研究了不同因素對(duì)其變形、位移及受力情況的影響，得到結(jié)論為

1) 膠筒最大接觸應(yīng)力的值隨著施加載荷的增加而增大；在3個(gè)膠筒中，上膠筒所受的接觸應(yīng)力最大；每個(gè)膠筒的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在膠筒與金屬材料零件接觸的端面附近。

2) 不同載荷下，膠筒的變形量較大，而其他零件變形量較小，這符合膠筒橡膠材料的彈性力學(xué)特性，膠筒的變形量自上而下依次遞減，上膠筒的變形量最大，膠筒的最大變形量都位于膠筒靠近上端面與其他零件的接觸位置附近。設(shè)計(jì)封隔器結(jié)構(gòu)時(shí)，可以在膠筒兩端設(shè)計(jì)膨脹環(huán)和擋環(huán)等保護(hù)裝置，防止坐封載荷直接施加在橡膠膠筒上，以提升膠筒密封性能和延長(zhǎng)使用壽命。

3) 卡瓦的位移量隨載荷的增加而增大，在錐體下移的過(guò)程中卡瓦上各齒之間位移大小各不相同，由上往下位移量依次減小，即最大位移出現(xiàn)在最頂部的齒上。

4) 卡瓦所受到的應(yīng)力值隨載荷增加而增大，卡瓦上各齒受力并不均勻，從上到下依次減小，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在最頂部的齒上，卡瓦所受最大接觸應(yīng)力小于40Cr材料的屈服強(qiáng)度極限，其強(qiáng)度合格。