測(cè)井用電動(dòng)擠壓式橡膠集流器集流性能分析

張 曦, 孔維航,2,3, 趙功達(dá), 劉嘉宇, 李 雷, 邢光龍

(1. 燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004; 2. 河北省計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 秦皇島 066004;3. 河北省軟件工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 秦皇島 066004; 4. 山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264026)

1 引 言

測(cè)井用集流器作為集流型測(cè)試儀器的重要組成部分,其高集流度是保證低產(chǎn)低流速油井產(chǎn)液剖面測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確檢測(cè)的前提和基礎(chǔ)。近年來(lái),用于國(guó)內(nèi)油井產(chǎn)液剖面測(cè)試的集流裝置主要有傘式集流器[1]、皮球式集流器[2]等。在傘式集流器研究方面,朱洪征等[3]提出一種基于油管輸送+存儲(chǔ)式采集模式的集流測(cè)井方法,其使用的傘式集流器依靠摩擦塊與套管內(nèi)壁的摩擦力將傘機(jī)構(gòu)撐開(kāi),提高了低產(chǎn)低流速情況下的集流度;馬寶全等[4]在傳統(tǒng)集流傘結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種溢氣型集流裝置方案,有效排除氣體對(duì)集流測(cè)量的影響。在皮球式集流器研究方面,許福東等[5]使用雙皮球替代傳統(tǒng)的單皮球結(jié)構(gòu),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性;劉合等[6]在雙皮球的基礎(chǔ)上,通過(guò)檢測(cè)皮球壓力進(jìn)行井下集流狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),顯著提高了測(cè)調(diào)效率。然而,目前常規(guī)傘式集流器工作時(shí)因傘筋與套管之間存在的縫隙使得漏失較為嚴(yán)重,皮球式集流器下井皮球易刮破、注液控制不當(dāng)易爆破,這將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)井儀器的測(cè)試精度。因此,保證測(cè)試儀器在井下的正常穩(wěn)定工作,仍是當(dāng)前集流測(cè)量模式產(chǎn)液剖面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

基于油管輸送測(cè)井工藝[7],本文提出一種高可靠電動(dòng)擠壓式橡膠集流器結(jié)構(gòu)模型,其特點(diǎn)為使用一段管柱橡膠彈性件作為集流器的核心部件。根據(jù)有限變形理論,利用變形梯度和超彈性本構(gòu)模型分析橡膠彈性件的形變特性,通過(guò)COMSOL有限元仿真軟件對(duì)橡膠彈性件進(jìn)行受力擠壓仿真實(shí)驗(yàn),分析不同結(jié)構(gòu)、材料屬性等參數(shù)對(duì)橡膠彈性件集流性能的影響,根據(jù)仿真優(yōu)化數(shù)據(jù)研制橡膠集流測(cè)試儀器,并在模擬井實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證其集流性能。

2 電動(dòng)擠壓式橡膠集流器結(jié)構(gòu)模型

2.1 橡膠集流器的工作原理

基于油管輸送測(cè)井工藝的電動(dòng)擠壓式橡膠集流模型見(jiàn)圖1所示,其中橡膠彈性件為超彈性材料,受到擠壓時(shí)形狀改變而總體積近似不變,且卸去外力后可恢復(fù)至初始狀態(tài),圖1中彈性件為受力壓縮狀態(tài)。電動(dòng)擠壓式橡膠集流器的工作原理是:驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電后帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行軸向伸縮式直線運(yùn)移,通過(guò)銷(xiāo)釘、滑套等結(jié)構(gòu)對(duì)橡膠彈性件施加推力進(jìn)行軸向壓縮,受擠壓的彈性件發(fā)生彈性形變,產(chǎn)生徑向的肩凸,隨著軸向壓縮量程的增大,肩凸與套管內(nèi)壁接觸以達(dá)到密封油套管環(huán)形空間的效果,使得管內(nèi)流體只能經(jīng)進(jìn)液口進(jìn)入集流器內(nèi)部而實(shí)現(xiàn)集流。集流器的收回動(dòng)作則為上述過(guò)程的逆過(guò)程,即驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn),帶動(dòng)絲杠等反向運(yùn)動(dòng)將橡膠彈性件拉回至初始態(tài)。

圖1 電動(dòng)擠壓式橡膠集流模型Fig.1 Structure of electric extruded rubber flow collector for logging1-套管; 2-軸向電機(jī)驅(qū)動(dòng)短接; 3-軸向驅(qū)動(dòng)電機(jī); 4-滾珠絲杠; 5-絲扣推桿; 6-進(jìn)液口; 7-銷(xiāo)釘; 8-滑套; 9-橡膠彈性件; 10-管柱橡膠集流短接

2.2 橡膠彈性件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橡膠彈性件作為整個(gè)集流器的核心構(gòu)件,其在受擠壓過(guò)程中可產(chǎn)生徑向向外的肩凸和接觸套管時(shí)可產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵?；谟凸茌斔蜏y(cè)井工藝實(shí)際特點(diǎn)和彈性件受力形變規(guī)律,設(shè)計(jì)3種橡膠彈性件結(jié)構(gòu)(如圖2所示)分別為標(biāo)準(zhǔn)管柱型、梯形內(nèi)凹型、圓弧內(nèi)凹型,并通過(guò)有限元仿真研究對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)橡膠彈性件的集流性能。圖2所示3種方案的主體結(jié)構(gòu)主要包括連接滑道的彈性件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝槽、用于封隔或打開(kāi)油套管環(huán)形空間的彈性件主體和用于套接集流通道外側(cè)的彈性件安裝槽。

圖2 橡膠彈性件3種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three design structures of rubber elastomer1-彈性件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝槽; 2-彈性件主體; 3-彈性件安裝槽

為開(kāi)展橡膠彈性件受力擠壓有限變形機(jī)理和集流性能研究,擬以橡膠彈性件為研究對(duì)象,結(jié)合橡膠彈性件主體幾何、材料雙重非線性特點(diǎn)以及形變后彈性件主體與套管內(nèi)壁接觸非線性特點(diǎn),建立橡膠彈性件仿真模型,利用接觸和接觸摩擦作用機(jī)制揭示彈性件主體受力變形和密封程度在不同情況下的變化規(guī)律。

3 橡膠彈性件有限變形機(jī)理

3.1 橡膠彈性件受力變形機(jī)理

橡膠彈性件的核心作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)油套管環(huán)形空間的封隔,其形狀為空心圓柱套筒,工作方式為通過(guò)軸向壓縮形變產(chǎn)生向外的肩凸,并逐漸與油套管接觸產(chǎn)生接觸應(yīng)力實(shí)現(xiàn)全集流。圖3為標(biāo)準(zhǔn)管柱型橡膠彈性件受力形變模型,為了進(jìn)一步分析橡膠彈性件在受到軸向力Fz時(shí)的形變特性,在有限變形理論中擬以變形梯度進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖3 橡膠彈性件受力形變模型Fig.2 Model for force deformation of elastomers

設(shè)P和Q分別表示變形前后典型物質(zhì)點(diǎn)的位置矢量,Yi為隨體坐標(biāo)(Lagrange坐標(biāo)),其位移u為[8]:

u=Q-P

(1)

彈性件變形前后的基矢分別為:

(2)

利用Kronecker符號(hào)可得到逆變基矢分別為:

(3)

變形梯度張量F和逆張量F-1分別為:

F=Qi?Pi,F-1=Pi?Qi

(4)

式中?表示并矢。

將變形梯度張量F分解:

F=R·U=V·R

(5)

式中:R為正常正交張量,表示轉(zhuǎn)動(dòng);U、V為對(duì)稱(chēng)正定張量,分別為L(zhǎng)agrange型、Euler型應(yīng)變張量;“·”表示點(diǎn)積。

在現(xiàn)時(shí)構(gòu)形上,Euler應(yīng)力張量滿足:

σ=σT, ?·σ+f=0,σn=σ·n

(6)

式中:n為面力作用的外法線;σn為Euler應(yīng)力矢量;f為初始構(gòu)形和現(xiàn)時(shí)構(gòu)形中的梯度算子。

同時(shí),為方便功共軛討論擬引入Kiechhoff應(yīng)力張量,它可由Euler應(yīng)力和Piola-kirchhoff應(yīng)力S獲得[9]:

(7)

式中:J=det(F)為體積比;W為橡膠材料的應(yīng)變能密度;E為單位矩陣;Piola-kirchhoff應(yīng)力S為L(zhǎng)agrange應(yīng)力張量,它的引入是因Euler應(yīng)力為定義在現(xiàn)時(shí)構(gòu)形上每單位面積的接觸力,是與變形相關(guān)的真實(shí)應(yīng)力。

3.2 Mooney-Rivlin超彈性本構(gòu)模型

橡膠材料是一種典型的超彈性材料,其彈性性能與硬度、載荷大小、載荷頻率等多種因素有關(guān),不能以簡(jiǎn)單的彈性模量來(lái)表征[10]。目前常采用數(shù)學(xué)方法建立本構(gòu)模型如Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Ogden模型、Mooney-Rivlin模型等用于描述橡膠材料的受力形變規(guī)律,其中Mooney-Rivlin模型應(yīng)用較廣泛[11]。

Mooney-Rivlin模型描述橡膠彈性時(shí),認(rèn)為橡膠的形變?yōu)楦飨蛲缘木鶆蛐巫?且橡膠作為一種超彈性材料,具有體積近似不可壓縮的特性,其本構(gòu)關(guān)系為[12]:

(8)

式中:σij為Euler應(yīng)力張量的分量;p為靜水壓力;Bij為左Cauchy-Green變形張量的分量;I1、I2、I3分別為變形張量的第1、第2、第3不變量。

(9)

由F可得出變形張量的3個(gè)不變量分別為:

I1=tr(B)=λ2+2λ-1

(10)

(11)

I3=1

(12)

在橡膠材料的工程計(jì)算中Mooney-Rivlin應(yīng)變能函數(shù)的應(yīng)用較為廣泛[12],其表達(dá)式為:

(13)

式中Cij為模型的待定參數(shù)。

關(guān)于橡膠材料的單軸加載計(jì)算通常取Mooney的兩項(xiàng)式:

W(I1,I2)=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(14)

通過(guò)修改模型參數(shù)C10、C01可表征不同屬性的橡膠彈性件。

4 仿真研究

4.1 橡膠集流器仿真模型構(gòu)建

為了提高集流器封隔過(guò)程的有限元分析效率,依據(jù)油管輸送測(cè)井工藝下集流器的工作流程,可將集流結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化,其簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖4(a)所示。圖4(a)所示橡膠彈性件、橡膠安裝槽、滑套和套管同軸狀態(tài)下,集流器呈軸對(duì)稱(chēng)幾何結(jié)構(gòu),其所受坐封載荷和約束也是呈軸對(duì)稱(chēng)分布,因此采用二維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建仿真模型并對(duì)橡膠與套管的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖4 集流器仿真模型及網(wǎng)格劃分Fig.4 Collector simulation model and mesh of the collector

橡膠彈性件結(jié)構(gòu)以梯形內(nèi)凹型為例,取套管內(nèi)徑為125 mm、橡膠彈性件內(nèi)徑為76 mm、厚度為12 mm、長(zhǎng)度為80 mm、管柱橡膠集流短節(jié)最細(xì)處內(nèi)徑為36 mm,利用COMSOL有限元仿真軟件構(gòu)建二維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖4(b)所示,其網(wǎng)格劃分采用自由三角形單元,最大單元大小為4.2 mm,增長(zhǎng)率為1.2。圖4(b)中定義對(duì)橡膠安裝槽施加固定約束,通過(guò)設(shè)置滑套位移的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠彈性件的單軸壓縮,對(duì)套管的兩端同樣施加固定約束[14]以保證接觸的穩(wěn)定性。

集流器橡膠彈性件的受力形變及二維截面應(yīng)力分布分別如圖5所示。圖5中橡膠彈性件受滑套擠壓,產(chǎn)生徑向向外的肩凸,由圖5可知套管受肩凸擠壓產(chǎn)生了一定的應(yīng)力,此時(shí)的單軸擠壓量程為21.2 mm。

圖5 彈性件發(fā)生形變及二維截面應(yīng)力云圖Fig.5 Deformation of the rubber elastomer and two dimensional section stress nephogram

4.2 集流器集流性能評(píng)價(jià)方法

分析集流器橡膠彈性件密封性能優(yōu)劣,不僅需要考彈性件與套管之間接觸應(yīng)力的大小,而且需要考慮接觸應(yīng)力的分布情況。故采用接觸應(yīng)力分布對(duì)軸長(zhǎng)的積分值K[15]來(lái)評(píng)價(jià)集流器的集流性能,K越大,集流性能越好。K的表達(dá)式為:

(15)

式中:VL為套管的應(yīng)力分布;L為套管長(zhǎng)度。

根據(jù)圖5套管與橡膠接觸面的應(yīng)力分布情況,繪制軸向應(yīng)力分布曲線,如圖6所示,由式(15)得出此時(shí)的K值為41 751 N·m-1。

圖6 套管的軸向應(yīng)力分布Fig.6 Axial stress distribution of the pipe

對(duì)集流器橡膠彈性件集流性能變化規(guī)律的研究將以圖4模型參數(shù)為初始值,以套管的軸向應(yīng)力分布積分值K為判斷依據(jù),對(duì)比分析不同參數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)管柱型、梯形內(nèi)凹型、圓弧內(nèi)凹型3種結(jié)構(gòu)彈性件的集流性能。

4.3 橡膠硬度對(duì)集流性能的影響

橡膠彈性件的硬度對(duì)集流器的集流性能有較大的影響。高可靠集流器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求所使用的橡膠彈性件受力后產(chǎn)生肩凸,且產(chǎn)生的肩凸需滿足一定的硬度才可提供足夠的接觸應(yīng)力而達(dá)到集流的效果。不同硬度下,擠壓橡膠的材料力學(xué)參數(shù)[10,16,17]見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)方法為使用不同參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來(lái)模擬不同硬度的橡膠彈性件,以套管與不同結(jié)構(gòu)彈性件接觸時(shí)的應(yīng)力積分值K來(lái)對(duì)比分析不同方案的集流性能。

表1 不同硬度橡膠的Mooney-Rivlin參數(shù)Tab.1 Mooney-Rivlin parameters for different hardnesses of rubber MPa

圖7為套管應(yīng)力分布積分值K隨彈性件硬度的變化情況。由圖7可知,不同結(jié)構(gòu)集流器的集流性能對(duì)彈性件硬度變化的響應(yīng)趨勢(shì)近似相同,隨著硬度的提高,各結(jié)構(gòu)集流器的集流性能均有提高,且在硬度大于65HA后提升效果更加顯著;相同橡膠硬度下,不同結(jié)構(gòu)彈性件的集流性能排序?yàn)閳A弧內(nèi)凹型>梯形內(nèi)凹型>標(biāo)準(zhǔn)管柱型,其中梯形內(nèi)凹型與圓弧內(nèi)凹型集流性能相近,標(biāo)準(zhǔn)管柱型最差且與前兩者有較大差距。故軸向擠壓量程一定時(shí),在電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的范圍內(nèi),選擇硬度較大的圓弧內(nèi)凹型橡膠彈性件有助于提高電動(dòng)擠壓式橡膠集流器的性能。

圖7 硬度對(duì)集流性能的影響Fig.7 Effect of hardness on flow collector

4.4 摩擦系數(shù)對(duì)集流性能的影響

摩擦系數(shù)作為表征材料摩擦學(xué)性能的重要指標(biāo),其對(duì)集流系統(tǒng)中橡膠彈性件與套管的接觸狀態(tài)有較大影響[18]。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,以摩擦系數(shù)為參量[19],實(shí)驗(yàn)分析其對(duì)集流性能的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)彈性件硬度取58HA,設(shè)置摩擦系數(shù)的范圍為0.1～0.8,以步長(zhǎng)為0.1取8組數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮仿真研究,對(duì)比不同結(jié)構(gòu)橡膠集流器的集流性能。

圖8為套管應(yīng)力分布積分值K隨彈性件硬度的變化情況。由圖8分析可知,彈性件與套管間的摩擦系數(shù)對(duì)集流器的集流性能有一定影響,隨著摩擦系數(shù)的增大,3種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布積分都有增大的趨勢(shì),即集流性能有所提高;相同摩擦系數(shù)下,不同結(jié)構(gòu)彈性件的集流性能排序?yàn)閳A弧內(nèi)凹型>梯形內(nèi)凹型>標(biāo)準(zhǔn)管柱型。

圖8 摩擦系數(shù)對(duì)集流性能的影響Fig.8 Effect of friction coefficient on flow collector performance

4.5 橡膠內(nèi)凹程度對(duì)集流性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,相同條件下圓弧內(nèi)凹型彈性件的集流性能優(yōu)于梯形內(nèi)凹型結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)管柱型結(jié)構(gòu)與前兩者有較大差距,可見(jiàn)內(nèi)凹型的結(jié)構(gòu)更易于達(dá)到集流的效果。該部分的實(shí)驗(yàn)即以此為基礎(chǔ),探究?jī)?nèi)凹程度對(duì)2種內(nèi)凹型彈性件集流性能的影響。實(shí)驗(yàn)方法為以?xún)?nèi)凹量為變化量進(jìn)行軸向擠壓仿真研究,設(shè)置橡膠硬度為58HA,不考慮接觸摩擦的影響,分析2種內(nèi)凹結(jié)構(gòu)套管應(yīng)力分布積分值K對(duì)內(nèi)凹量的響應(yīng)規(guī)律。其中內(nèi)凹量指的是內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的最薄處與橡膠厚度之差。

圖9 內(nèi)凹程度對(duì)摩擦系數(shù)的影響Fig.9 Effect of concave degreen on the flow collection performance

圖9為套管應(yīng)力分布積分值K隨內(nèi)凹量的變化規(guī)律。由圖9分析可知,相同條件下,使用圓弧內(nèi)凹型彈性件的集流器集流性能優(yōu)于使用梯形內(nèi)凹型彈性件的集流器;圓弧內(nèi)凹型和梯形內(nèi)凹型彈性件的集流性能隨內(nèi)凹量的變化規(guī)律均為先增高,在內(nèi)凹量為3～4 mm時(shí)達(dá)到最大值,而后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)果表明增加彈性件的內(nèi)凹程度有助于提高其集流性能,但內(nèi)凹量過(guò)高亦會(huì)導(dǎo)致橡膠與套管的接觸部分過(guò)于薄弱而使接觸應(yīng)力降低,從而造成集流性能下降。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 彈性件及集流裝置研制

依據(jù)結(jié)構(gòu)分析和仿真結(jié)果,研制了一種可提高可靠集流器性能的橡膠彈性件。研制的橡膠彈性件主要滿足以下技術(shù)要求:橡膠彈性件整體為空心圓筒形,圓筒的一端設(shè)有安裝槽,另外一端為加厚設(shè)計(jì),以保證彈性受力擠壓時(shí)的穩(wěn)定性;圓筒的內(nèi)側(cè)為仿真研究中性能最優(yōu)的圓弧內(nèi)凹形結(jié)構(gòu),圓弧的頂點(diǎn)在圓筒軸長(zhǎng)的1/2位置,以確保其受力擠壓時(shí)可產(chǎn)生徑向向外的肩凸;彈性件的具體尺寸與仿真尺寸一致。彈性件內(nèi)徑為76 mm、厚度為12 mm、長(zhǎng)度為80 mm;內(nèi)凹程度和硬度取仿真研究的較優(yōu)結(jié)果,結(jié)合電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力并考慮橡膠的彈性,硬度設(shè)計(jì)為58 HA,內(nèi)凹程度取4 mm。此外,為保證井下工作的耐久性,彈性件的材質(zhì)選取具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn)的丁腈橡膠[19]。橡膠的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 橡膠彈性件實(shí)物Fig.10 Rubber elastomer devices

在橡膠彈性件的基礎(chǔ)上,根據(jù)圖1的電動(dòng)擠壓式橡膠集流器模型,搭建驅(qū)動(dòng)擠壓行程的外圍結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖11所示,其機(jī)身有進(jìn)液口用于集流態(tài)液體流入,兩端有扶正器保持機(jī)身姿態(tài),內(nèi)部還有渦輪流量計(jì)用于測(cè)量流入的液體流量。

圖11 橡膠集流器整體結(jié)構(gòu)Fig.11 Overall structure of the rubber flow collector

5.2 實(shí)驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)橡膠集流器在連續(xù)油管輸送工藝下的集流性能,測(cè)試實(shí)驗(yàn)以實(shí)際工程應(yīng)用為導(dǎo)向,在大慶油田水平井多相流模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖12)上進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)驗(yàn)所用流體介質(zhì)為柴油和水的混合液,水占液體總流量比重為85%,通過(guò)計(jì)量管段標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量后進(jìn)入模擬井筒,井筒內(nèi)放置集流裝置。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用圖12(a)所示常規(guī)傘式集流裝置作為對(duì)照,對(duì)比分析橡膠集流裝置與常規(guī)傘式集流裝置的性能差異。

圖12 水平井筒多相流模擬裝置平臺(tái)Fig.12 Rubber flow collector and umbrella flow collector in simulated wellbores

5.3 實(shí)驗(yàn)分析

5.3.1 數(shù)據(jù)采集

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,集流裝置對(duì)模擬井筒進(jìn)行封隔,混合液經(jīng)進(jìn)液口進(jìn)入儀器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的渦輪流量計(jì),同流量工況下,渦輪響應(yīng)越快,說(shuō)明流經(jīng)儀器的流量越多,則集流性能越好。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)總流量數(shù)據(jù)為1 m3/d、2 m3/d、3 m3/d、5 m3/d、10 m3/d、20 m3/d、30 m3/d、40 m3/d、50 m3/d、60 m3/d,通過(guò)采集不同流量工況下渦輪流量計(jì)的響應(yīng)數(shù)據(jù)分析集流裝置的集流性能。流量為20 m3/d時(shí)橡膠集流器的渦輪響應(yīng)如圖13所示。

圖13 流量為20 m3/d時(shí)橡膠集流器的渦輪響應(yīng)Fig.13 Turbine response of a rubber collector at a flow rate of 20 m3/d

5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)響應(yīng)頻率趨于穩(wěn)定時(shí),對(duì)采集的數(shù)據(jù)取平均值,作為當(dāng)前工況的渦輪響應(yīng)數(shù)據(jù)。在不同流量工況下,分別對(duì)橡膠集流器和常規(guī)傘式集流器進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同流量工況下的渦輪響應(yīng)Fig.14 Turbine response at different flow conditions

由圖14分析可知,相較于傘式集流器,相同工況下橡膠集流器的渦輪響應(yīng)更快,集流度更高;同時(shí),橡膠集流器結(jié)果的線性擬合曲線斜率更大,擬合優(yōu)度R2達(dá)到0.999 6,線性度更好。綜上結(jié)果表明,所提電動(dòng)擠壓式橡膠集流器的集流性能更優(yōu),在石油生產(chǎn)測(cè)井方面能夠發(fā)揮重要作用。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)理論分析有限變形機(jī)理,提出了一種電動(dòng)擠壓式橡膠集流器結(jié)構(gòu),解決傳統(tǒng)常規(guī)集流器存在漏失嚴(yán)重、易刮破爆破等問(wèn)題;提出了3種彈性件結(jié)構(gòu),通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),以套管軸向應(yīng)力積分值K為指標(biāo)分析不同情況下各結(jié)構(gòu)的集流性能;研制了電動(dòng)擠壓式橡膠集流整體裝置,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1) 在相同硬度、尺寸、摩擦系數(shù)情況下,得出不同結(jié)構(gòu)橡膠彈性件的集流器集流性能,圓弧內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)>梯形內(nèi)凹型結(jié)構(gòu)>標(biāo)準(zhǔn)管柱型結(jié)構(gòu)。

2) 相同條件下,提高橡膠硬度可增強(qiáng)集流器的集流性能,實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)在考慮電機(jī)負(fù)載能力同時(shí)使用較硬的橡膠以滿足集流性能要求;增大橡膠與套管壁面的摩擦系數(shù)可提高集流器的集流性能;彈性件的內(nèi)凹程度與集流性能呈非線性關(guān)系,增大內(nèi)凹程度有助于提高集流性能,但彈性件變薄亦會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力減小降低集流性能。

3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同流量工況下,橡膠集流器的集流性能優(yōu)于傳統(tǒng)傘式集流器,這也驗(yàn)證了仿真分析的正確性。