基于有限元的頂驅(qū)下套管裝置密封膠筒設(shè)計

摘 " 要：密封膠筒是頂驅(qū)下套管裝置實現(xiàn)套管密封、泥漿循環(huán)等作業(yè)功能的關(guān)鍵部件。為探究密封膠筒工作原理并為其研發(fā)提供理論依據(jù)，通過有限元分析軟件建立了數(shù)值仿真模型，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了密封膠筒插入套管及密封高壓泥漿的動態(tài)過程。分析了密封膠筒的密封原理，研究了動態(tài)過程中密封膠筒幾何形態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)的變化特性。并對密封膠筒進行了力學分析和強度校核，結(jié)果表明：當密封最大泥漿壓力時，膠杯最大應(yīng)力為15.77 MPa，骨架最大應(yīng)力為370.3 MPa，表明密封膠筒強度滿足設(shè)計要求。最后通過應(yīng)用試驗檢驗密封膠筒的密封效果，驗證了仿真計算各項數(shù)據(jù)的準確性，表明此密封膠筒性能滿足現(xiàn)場使用要求。

關(guān)鍵詞：頂驅(qū)下套管裝置；密封膠筒；有限元分析；應(yīng)力分析；試驗驗證

中圖分類號：TE924 " " " " 文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.008

Design of Casing Running Tool Packer Cups Based on Finite Element Analysis

ZHANG Qingbin，DOU Qiao，LIANG Haiqing，LIU Fugui，PU Yazhao，ZHANG Xin

（ Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co.，Ltd.， Lanzhou 730050，China）

Abstract：The packer cup is a key component of the top drive casing device to achieve casing sealing， mud circulation， and other operational functions. In order to study the working principle of the packer cup and provide a theoretical basis for the development and design of the packer cup， a numerical simulation model was established using finite element analysis software. The dynamic process of inserting the packer cup into the casing and sealing the high-pressure mud was simulated using adaptive mesh technology. The sealing principle of the packer cup was analyzed， and the changes in the geometric shape and stress state of the packer cup during the dynamic process were studied. Mechanical analysis and strength verification of the packer cup were also performed. The calculation results show that when sealing the maximum mud pressure， the maximum stress of the rubber cup is 15.77 MPa， and the maximum stress of the skeleton is 370.3 MPa. The strength of the packer cup meets the design requirements. Finally， the sealing effect of the packer cup was verified by experiment， and the accuracy of the simulation calculations was verified. All data showed that the performance of this packer cup meets the requirements for field use.

Key words：casing running tool; packer cup; finite element analysis; stress analysis; experimental verification

頂驅(qū)下套管裝置在下套管作業(yè)時，可在下放套管過程中同時進行泥漿循環(huán)作業(yè)，大幅提高了套管成功下入或下套管遇卡時解卡的成功率，因此頂驅(qū)下套管裝置曾被認為是石油工業(yè)最具有潛力的裝置之一［1-2］。密封膠筒作為頂驅(qū)下套管作業(yè)裝置的關(guān)鍵部件，其工作性能對保證鉆井液循環(huán)和固井試壓等各作業(yè)環(huán)節(jié)正常有序運行起著至關(guān)重要的作用。

目前NOV、Weatherford、Tesco等歐美公司的密封膠筒產(chǎn)品占據(jù)國際市場絕對份額，其產(chǎn)品性能先進、規(guī)格齊全。出于技術(shù)保護等因素的考慮，國外對此類產(chǎn)品的公開信息，僅限于功能描述及規(guī)格介紹等方面。國內(nèi)，當前頂驅(qū)下套管作業(yè)應(yīng)用仍處于起步階段，且加工制造難度大等因素的影響，頂驅(qū)下套管裝置用密封膠筒的相關(guān)研究較少。學者多借助理論分析和數(shù)值分析等手段對具有類似工況的井下封隔器進行研究分析［3-5］，而對頂驅(qū)下套管專用密封膠筒材料、結(jié)構(gòu)組成、力學性能分析、成型工藝等信息的相關(guān)研究較少［6］。

為探究頂驅(qū)下套管裝置用密封膠筒的工作原理，指導(dǎo)研發(fā)設(shè)計，通過ANSYS分析軟件，建立了密封膠筒和套管仿真模型。模擬密封膠筒插入套管及密封泥漿壓力時的動態(tài)過程，提取密封膠筒與套管之間的接觸壓力，分析密封膠筒的密封原理。同時對比仿真了密封膠筒骨架裙邊對密封膠筒工作性能的影響，最終通過試驗驗證密封膠筒的工作性能，試驗結(jié)果表明該密封膠筒滿足頂驅(qū)下套管實際作業(yè)要求。頂驅(qū)下套管作業(yè)方式下，密封膠筒作為關(guān)鍵零部件的成功設(shè)計開發(fā)，對促進國內(nèi)自動化鉆井裝備技術(shù)提升有重大價值，同時促進了采用頂驅(qū)進行旋轉(zhuǎn)下套管新型作業(yè)方式在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

1 密封膠筒工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

頂驅(qū)下套管裝置是集機械、電氣、液壓于一體的頂部驅(qū)動下套管作業(yè)裝置。下套管作業(yè)時，裝置上部主軸與頂驅(qū)主軸保護接頭相連，下部通過卡瓦機構(gòu)與套管連接，在頂驅(qū)作用下可實現(xiàn)套管上卸扣、套管柱旋轉(zhuǎn)、循環(huán)或灌注泥漿等功能。頂驅(qū)下套管裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

頂驅(qū)下套管裝置的密封導(dǎo)向裝置主要由導(dǎo)向錐、防突環(huán)、密封膠筒、密封圈等組成，其裝配如圖2所示。防突環(huán)、密封膠筒套裝在導(dǎo)向錐主軸上，其間通過密封圈實現(xiàn)密封，導(dǎo)向錐的末端加工有螺紋并連接到頂驅(qū)下套管裝置的主軸上。導(dǎo)向錐主軸沿軸向加工有泥漿通道，末端加工有泥漿射流孔并與主軸泥漿通道貫通［2，6］。

密封膠筒內(nèi)部有金屬骨架，骨架表面附著橡膠材質(zhì)的膠杯，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。膠杯底部有一圈凸起的裙邊，其外徑稍大于套管內(nèi)壁直徑。

1.2 基本參數(shù)

仿真套管參數(shù)如表1所示。

2 計算分析

ANSYS Workbench工程仿真軟件是基于有限元分析技術(shù)和計算流體動力學技術(shù)，可為用戶提供一個全面的仿真分析環(huán)境，包括靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、熱傳導(dǎo)分析、流體動力學分析等多種高級仿真功能，其計算結(jié)果的正確性也已得到了工程界一致認同［7］。鑒于有限元分析軟件的強大功能和計算結(jié)果可靠性，計算采用ANSYS Workbench 17.0有限元分析軟件，對密封膠筒的工作過程進行模擬仿真。

2.1 材料特性

密封膠筒骨架采用40CrNi2MoA合金鋼，其主要材料力學性能，如表2所示。

膠杯材料的選取是密封膠筒實現(xiàn)設(shè)計功能的關(guān)鍵。膠杯材料應(yīng)具備耐油、疏水、抗壓、耐磨、耐撕裂等特性。氫化丁腈橡膠具有良好的耐熱性和耐油性，此外還有很好的拉伸強度和耐磨性，一般配方的丁腈橡膠的拉伸強度可達到30 MPa，改變配方后可達到60 MPa［8］，鑒于氫化丁腈橡膠的優(yōu)良特性，選用其作為密封膠筒膠杯材料。數(shù)值仿真方法解決橡膠問題的有效性取決于描述橡膠材料彈性性能的準確性。本次仿真根據(jù)膠杯工作時的形變特點，選用應(yīng)用較為成熟的Mooney-Rivlin模型，作為膠杯橡膠材料模型進行仿真計算［9-10］，其彈性應(yīng)變能勢能表達式為：

W=C1（I1-3）+C2（I2-3） "（1）

式中：W為應(yīng)變能密度，MPa；I1和I2為分別為一階、二階Green應(yīng)變不變量；C1和C2為Rivlin系數(shù)，MPa。

2.2 有限元分析

下套管裝置密封膠筒的幾何形狀及受力狀態(tài)為軸對稱關(guān)系，為提高運算速度和減小仿真規(guī)模，通過DM建立2D面單元仿真模型。膠杯采用高彈橡膠，套管、防突環(huán)、密封膠筒骨架等部件均選擇合金鋼作為材料。根據(jù)實際工作情況添加邊界條件和約束條件，仿真模型，如圖4所示。各零部件采用四邊形網(wǎng)格進行劃分，局部區(qū)域采用Body Sizing工具進行網(wǎng)格細化。三維狀態(tài)下網(wǎng)格顯示，如圖5所示，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為3 427，網(wǎng)格單元數(shù)量為3 007。

氫化丁腈橡膠作為一種超彈性非線性復(fù)合材料，仿真計算收斂困難。針對此問題，膠杯部分仿真時采用自適應(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)（Nonlinear Adaptive Region）［11-15］。可基于一定準則對計算模型進行網(wǎng)格重劃分，最終解決網(wǎng)格大變形或網(wǎng)格畸變導(dǎo)致的計算不收斂問題，可大幅提高計算精度和效率［16-21］。

2.3.1 載荷位移加載

為了真實反應(yīng)密封膠筒的工作過程，仿真時分兩個時間步對密封膠筒施加150 mm的豎向位移和34.5 MPa的泥漿壓力，密封膠筒的位移及壓力施加過程，如圖6所示。

2.3.2 插入過程應(yīng)力分析

隨著密封膠筒插入到套管內(nèi)部，由于膠杯裙邊尺寸大于套管內(nèi)徑，裙邊因過盈發(fā)生彈性變形并產(chǎn)生1.63 MPa的初始應(yīng)變應(yīng)力，在膠杯和套管內(nèi)壁產(chǎn)生了1.21 MPa的初始接觸壓力，為后續(xù)高壓泥漿的密封提供了初始密封條件，密封膠筒插入套管時的應(yīng)力云圖如圖7所示。當循環(huán)高壓泥漿作業(yè)時，泥漿壓力作用到膠杯并使其貼緊套管內(nèi)壁，最終在接觸面產(chǎn)生38.31 MPa的接觸壓力，大于34.5 MPa的泥漿壓力，從而實現(xiàn)密封膠筒對套管內(nèi)高壓泥漿的密封，接觸應(yīng)力變化云圖，如圖8所示。

2.3.3 加壓過程應(yīng)力分析

密封膠筒插入套管后，泥漿壓力由0 MPa逐漸升高到34.5 MPa，為便于對比分析仿真結(jié)果，以2D軸對稱形式對密封膠筒的變形及應(yīng)力狀態(tài)進行動態(tài)顯示，如圖9所示。

密封最大泥漿壓力時，膠杯部分整體平均應(yīng)力為10 MPa左右。隨著壓力升高，膠杯肩部橡膠在壓力作用下貼緊套管內(nèi)壁并向防突環(huán)方向滑動。最終在泥漿壓力及摩擦力的作用下，在膠杯肩部產(chǎn)生較大應(yīng)力，應(yīng)力值為14.03 MPa。在骨架處底端，膠杯受骨架限制且受骨架形狀因素的影響，在骨架尖角處產(chǎn)生15.77 MPa的最大應(yīng)力值，如圖10所示。

通過仿真程序求解器輸出數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的升高，膠杯部分網(wǎng)格產(chǎn)生大變形，此時程序根據(jù)設(shè)定準則對大變形及畸變網(wǎng)格進行重構(gòu)，最終仿真系統(tǒng)網(wǎng)格數(shù)量4 243，節(jié)點數(shù)量3 576，新增網(wǎng)格23.8%，新增節(jié)點18.9%。根據(jù)壓縮式封隔器與遇油膨脹封隔器，應(yīng)力破壞安全系數(shù)1.1～1.2，液壓膨脹式管外封隔器1.2～1.3［10］，可得因此膠杯的許用應(yīng)力為：

"［σ］1==23.08 MPa

式中：［σ］1為膠杯的許用應(yīng)力，MPa；TS為膠杯材料的拉伸強度，MPa；nS1為膠杯設(shè)計安全系數(shù)。膠杯許用應(yīng)力［σ］1＞15.77 MPa，結(jié)果表明膠杯強度滿足設(shè)計要求。

在封隔最大泥漿壓力時，金屬骨架受泥漿壓力作用，在金屬裙邊與金屬本體連接處因彎曲產(chǎn)生最大應(yīng)力為370.3 MPa，如圖11所示。

根據(jù)40CrNi2MoA材料特性求得金屬骨架材料的許用安全應(yīng)力：

［σ］2===505.33 MPa

式中：［σ］2為金屬骨架的許用應(yīng)力，MPa；Rm為金屬骨架材料的抗拉強度，MPa；nS2為金屬骨架設(shè)計安全系數(shù)。金屬骨架許用應(yīng)力［σ］2＞370.3 MPa，結(jié)果表明，金屬骨架抗拉強度滿足設(shè)計要求。綜上所述，密封膠筒的金屬骨架及膠杯強度均滿足封隔34.5 MPa泥漿壓力要求。

2.3.4 無骨架密封膠筒仿真

為對比研究密封膠筒金屬骨架裙邊對其工作特性的影響，建立了金屬骨架無裙邊的密封膠筒模型，并針對此類封密封膠筒進行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖12～13所示。隨著壓力的升高，膠杯貼緊套管內(nèi)壁，由于無骨架裙邊的限制，膠杯肩部橡膠會流動到防突環(huán)與套管內(nèi)壁之間的縫隙內(nèi)，出現(xiàn)“肩突”現(xiàn)象。膠杯在此處產(chǎn)生較大Mises應(yīng)力（44.12 MPa），超出橡膠件的許用應(yīng)力要求，膠杯在此處容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。仿真程序求解器輸出數(shù)據(jù)顯示，骨架無裙邊仿真時，膠杯網(wǎng)格數(shù)量增加48.9%，網(wǎng)格節(jié)點新增32.6%。

3 試驗驗證

為檢驗密封膠筒的使用效果，并驗證有限元分析的準確性，采用WYC-B型微機高壓測試系統(tǒng)，對密封膠筒實物進行壓力測試。將密封膠筒插入到套管短節(jié)內(nèi)部，套管另端通過堵頭封堵，啟動液壓系統(tǒng)使頂驅(qū)下套管工具的牙板咬緊套管內(nèi)壁，使套管、密封膠筒、牙板、主軸組成內(nèi)力承載系統(tǒng)，此時密封膠筒承受的液體壓力最終傳遞到主軸上，試驗現(xiàn)場如圖14所示。

通過主軸頂部水眼向密封膠筒與套管底部空間分步泵入高壓水，當水壓達到試驗壓力35.5 MPa后，切斷壓力源，保壓5 min，觀察系統(tǒng)有無明顯滲漏，同時監(jiān)控測試系統(tǒng)的壓力變化，最終試驗數(shù)據(jù)及曲線界面如圖15所示。

試驗數(shù)據(jù)表明，隨著泵入套管液體壓力升高，系統(tǒng)壓力曲線成階梯狀上升，升高至試驗壓力35.5 MPa，保壓5 min，無明顯滲漏，表明密封膠筒在試驗壓力下具有良好的密封性能。在保壓期終結(jié)時，系統(tǒng)整體壓降為0.15 MPa，遠低于試驗壓降2 MPa的要求。試驗驗證了密封膠筒的密封性能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1） 動態(tài)仿真了密封膠筒的工作過程，膠杯裙邊和套管內(nèi)壁之間因過盈產(chǎn)生1.21 MPa的初始接觸壓力，為密封高壓泥漿提供條件。當泥漿壓力升高到工作壓力時，兩者接觸壓力升高為38.31 MPa，實現(xiàn)了高壓泥漿的密封。

2） 對密封膠筒進行了力學性能分析，膠杯最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在骨架裙邊底部尖角處，等效應(yīng)力最大值為15.77 MPa，滿足拉伸強度要求。骨架最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在裙邊與骨架本體連接處，等效應(yīng)力最大值為370.3 MPa，滿足抗拉強度要求。

3） 對不同密封膠筒結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加金屬骨架裙邊減小了膠杯材料在壓力作用下的流動及變形網(wǎng)格數(shù)量，改善了膠杯的應(yīng)力狀態(tài)，提高了密封膠筒整體工作性能和工作可靠性。

4） 通過實物功能試驗驗證，該密封膠筒密封性能優(yōu)良，滿足作業(yè)密封能力要求。

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