整体式卡瓦牙型结构优化及试验研究

整体式卡瓦牙型结构若设计不合理会直接影响封隔器的坐封力和锚定效果。以适用于177.8 mm套管的整体式卡瓦为例进行研究,采用ANSYS软件建立模型,利用应力瞬态特性分析方法,对不同参数下的牙齿倾角α、牙齿角度β、牙齿间宽度d和卡瓦锥角γ进行应力分析。在相同的边界条件下,根据不同牙型参数下的应力值,综合分析得出α=70°、β=75°、d=70 mm、γ=13°时,卡瓦载荷分布均匀,无应力集中现象,为最合理的牙型参数。试验结果表明,在150℃的条件下,密封压力64.5 MPa时,整体式卡瓦有效开裂,均匀咬合套管内壁且锚定力满足工作要求。

整体式卡瓦断裂压力的试验研究

为了解决整体式卡瓦设计断裂压力过大或过小的问题,进行了整体式卡瓦断裂的试验研究,获得了不同开槽长度下整体式卡瓦的断裂压力,并与理论计算的设计断裂压力进行对比分析,结果表明,在不同开槽长度下,整体式卡瓦设计断裂压力均大于试验断裂压力。基于整体式卡瓦的试验断裂压力,建立了断裂压力与开槽长度之间的拟合关系式T=0.045l^2-7.38l+291.88,为整体式卡瓦断裂压力的设计提供了参考依据。

整体式卡瓦断裂过程的有限元分析

耐高温高压封隔器大都采用整体式双向卡瓦,而国内缺乏对整体式卡瓦受力及断裂过程的相关研究。为此,运用现代设计理论及ANSYS软件,对整体式卡瓦断裂过程进行了有限元分析,得到了卡瓦的初次断裂、二次断裂及最终断裂临界点,绘制出卡瓦外载荷-轴向位移关系曲线图。有限元分析结果为以后根据封隔器实际工作情况设定合理的坐封载荷及对整体式卡瓦的结构尺寸进行优化设计提供了参考依据。

可溶桥塞整体式卡瓦结构优化设计

为提高可溶桥塞整体式卡瓦的锚定效果,以适用于φ95. 0 mm可溶桥塞的整体式卡瓦为例,对其结构进行了优化设计。通过整体式卡瓦断裂试验和断裂数值模拟发现,在轴向载荷作用下,整体式卡瓦应力槽在其长度1/2处所受应力达到抗拉强度时,卡瓦断裂张开。基于此规律,通过数值模拟将整体式卡瓦的结构优化为采用6个均匀分布的应力槽,应力槽长25. 0 mm、厚2. 0 mm、宽4. 0 mm,距前端25. 0 mm、后端10. 0 mm。结构优化后卡瓦的断裂力为72 k N,达到了φ95. 0 mm可溶桥塞坐封时卡瓦断裂力的要求,且数值模拟及断裂试验均表明,结构优化后的整体式卡瓦不再呈C字形张开,其承压能力更强,卡瓦的锚定效果更好。研究结果表明,可溶桥塞整体式卡瓦的结构经优化设计后,其断裂力明显降低,能避免呈C字形张开,其锚定效果得到增强。

整体式卡瓦断裂仿真及实验研究

整体式卡瓦在桥塞坐封后起到支撑桥塞、锁定胶筒的作用。针对其在断裂过程中不均匀断裂而导致的承压过程中破坏失效的问题,建立了真实工况下卡瓦断裂坐封的有限元模型。基于损伤演化理论中的位移破坏原理和延性损伤准则中的材料塑性变形叠加原理,首先通过单轴拉伸实验获得了卡瓦材料的真实应力、应变等力学参数;并将其引入金属延性损伤和塑性力学参数设置中,成功模拟了卡瓦的断裂过程。基于这种分析方法和卡瓦的断裂缺陷,对卡瓦的断裂形式改进后再次分析,整体式卡瓦可均匀裂为三瓣,卡瓦本体应力分布明显降低。最后实验验证此结构下,桥塞的封堵效果良好,可稳定承载4.5in套管截面受到的50MPa轴向载荷,达到了实际坐封要求。整体式卡瓦分瓣断裂比C字形断裂承压能力更高。研究成果对应用有限元法模拟桥塞坐封过程和整体式卡瓦结构设计具有参考价值。

整体式卡瓦齿槽结构优化

为提高可溶桥塞中整体式卡瓦的承载能力,对卡瓦齿槽结构进行了优化。首先,开展整体式卡瓦承载能力实验并分析卡瓦失效的原因。然后,应用有限元法建立了整体式卡瓦及与之接触部件的六分之一模型和广义接触关系,分析了单一齿槽结构参数对卡瓦锚定效果的影响,并通过正交试验优选出最佳齿槽结构参数:前排齿槽轴心线距离卡瓦前端25 mm,前后排齿槽轴向间距为15 mm,齿槽轴心线夹角为20°,齿槽轴心线倾角为20°,齿槽深度为7 mm。最后,对齿槽结构优化后的整体式卡瓦进行实物加工并开展承载能力实验,结果表明该卡瓦的轴向承载力可达629 kN,能够承受内径为114.3 mm的套管在井下70 MPa压力环境中受到的轴向载荷。仿真和实验结果表明整体式卡瓦齿槽结构参数对卡瓦的承载能力有重要影响,研究结果对镶齿类整体式卡瓦结构设计具有重要参考价值。

SCY-FYQSF型可钻桥塞整体卡瓦结构试验研究

桥塞的卡瓦在管柱坐封时起到支撑桥塞、锁定胶筒的作用,卡瓦结构设计合理与否影响着桥塞坐封力和锚定效果的好坏,常规的整体式卡瓦在实际现场应用中常不能均匀裂开,从而影响了桥塞的坐封和锚定效果,以适用于Φ139.7mm套管的整体式卡瓦为例进行研究,通过对其结构的优化,将常规卡瓦应力槽均布的方式,优化为应力槽深浅相间的分布方式。试验结果表明,在温度120℃工况下,密封压力可达60MPa,整体卡瓦均匀裂开,锚定力690KN,满足油田的现场施工要求。

高温高压井完井封隔器卡瓦力学分析及有限元数值模拟

针对井底高温高压环境容易造成卡瓦牙变形、断裂、严重损害套管等问题,应用静力学理论建立THT完井封隔器卡瓦力学模型进行力学分析,推导出卡瓦牙咬合时的正应力与剪切应力;利用ANSYS Workbench有限元软件,建立了卡瓦-套管咬合三维有限元模拟模型。结果表明:卡瓦牙应力和套管内壁接触应力沿轴向与周向分布都不均匀,在轴向上靠近加载端应力较大起主要锚定作用,远离加载端应力逐渐减小,几乎不起作用;周向上应力几乎沿几何对称面对称分布,对称面附近是主要咬合区。可针对上述应力分布特点对卡瓦结构进行优化设计。

镶齿型可溶桥塞卡瓦结构优化

可溶桥塞是油气开采过程中必备的井下工具,其卡瓦机构直接影响其锚定性能。本文结合可溶桥塞的工作特点和受力分析,应用显式动力学模拟桥塞锚定过程,分析了单一卡瓦结构参数对锚定性能的影响。分析结果表明:随着齿槽轴心线夹角和齿槽轴心线倾角的增加,卡瓦牙与套管间的接触压力和咬合深度逐渐减小,锚定效果逐渐减弱;齿槽深度、卡瓦牙间距和前端距对卡瓦的结构强度影响较大,通过破坏卡瓦本体的结构强度,进而影响锚定效果的稳定性。最后以最大接触应力和咬合深度极差值为评价指标,应用正交实验优选出最佳卡瓦结构参数组合:齿槽轴心线夹角11°,齿槽轴心线倾角70°,齿槽深度7.0 mm,卡瓦牙间距21 mm,前端距22 mm。