连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响

为研究连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响,归纳连续管常见磨损形式并构建其磨损几何模型,以通径为38.1 mm防喷盒胶筒为例,通过实验得到其材料本构模型参数,建立防喷盒胶筒密封连续管的有限元模型;以有效接触应力和最大Mises应力为指标,分析连续管的磨损形式、磨损深度、磨损长度以及偏磨角度对胶筒密封性能的影响。结果表明:连续管偏磨形式对胶筒密封性能影响较大,连续管偏磨段长度大于胶筒高度且偏磨深度大于1 mm时,胶筒密封能力会出现不能满足井口密封要求的情况;偏磨角度会影响胶筒的应力分布,从而影响密封性能。

油田在用封隔器胶筒密封材料的老化行为

选择在用的丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)以及HNBR/氟橡胶(FKM)5种封隔器胶筒的橡胶材料作为研究对象,分别研究了其热稳定性、玻璃化转变温度以及在热空气介质和矿化水介质中的耐老化行为。结果表明,受FKM的作用,HNBR/FKM共混胶试样D表现出最好的热稳定性,同时差示扫描量热分析表明HNBR和FKM具有较好的相容性;在热空气介质中,试样D具有最高的拉伸强度保持率以及扯断伸长率保持率,表现出最好的耐老化性能,在矿化水介质中,水介质明显抑制了热氧老化反应,在100~120℃的矿化水中5种橡胶材料的扯断伸长率随老化时间延长变化率均较小,表现出较好的抗老化能力。然而在150℃的矿化水中,NBR试样E的扯断伸长率衰减较快,试样D的扯断伸长率保持率最佳,可作为油田分层注采井高温长效密封材料使用。

端部弹簧式封隔器胶筒的密封性能仿真分析

端部弹簧式封隔器胶筒作为一种新型设计的井下密封工具,为验证该工具能否达到40 MPa的密封设计要求,得到该工具在不同环境围压和坐封载荷下对胶筒密封性能的影响规律进行了仿真分析。仿真分析采用有限元分析的理论,借助物理实验确定弹簧和橡胶的仿真参数,采用轴对称的分析方法对建立的简化等效有限元模型进行分析计算。分析结果表明,在10~50 MPa环境围压载荷下,中胶筒的密封压力变化量只有0.27 MPa,环境围压载荷对胶筒密封性能影响很小。通过分析计算4个不同的坐封载荷得到坐封载荷和胶筒密封压力的关系曲线,并得到坐封载荷在大于8 t的情况下能够达到密封40 MPa设计要求的结论,为后续的现场试验施工和结构优化提供了理论支撑依据。

封隔器胶筒失效及优化设计研究综述

研究了封隔器胶筒失效形式的相关文献,总结了封隔器胶筒的失效原因,并综述了封隔器胶筒优化设计的研究现状。封隔器胶筒肩部包络紫铜的新型胶筒与常规胶筒相比突出距离降低了63.35%;双胶筒改进为“主胶筒+双侧支撑”的新的组合结构,耐压差性能平均提高30 MPa;以丁腈橡胶、聚四氟乙烯为基体材料进行补强应用于封隔器胶筒中,优化后的封隔器胶筒在170℃以上的高温下能够保持良好的密封性能;给中心管外表面喷涂氧化锆陶瓷隔热涂层,胶筒在350℃下有良好的密封性能。封隔器胶筒中填充尼龙66帘线,在压裂泵压80 MPa、175℃环境下,胶筒基体不发生破坏。3种优化方式能够有效提高胶筒的耐温耐压性能,防止胶筒失效破坏。最后给出封隔器胶筒优化的研究方向,对今后封隔器密封元件的研究工作有一定的参考意义。

高温高压下扩张式封隔器胶筒非线性流动仿真计算

针对井下温度压力环境下扩张式封隔器的工作状态,本文建立了卡距内管柱及封隔器力学模型,采用网格重划分方法来描述胶筒在环空间隙中的非线性流动,并将重划分前后的网格信息进行映射,解决了封隔器有限元方程矩阵奇异问题.对不同压裂泵压、不同井温和不同环空间隙下封隔器胶筒的位移、剪切应力及接触压力进行仿真计算.压裂泵压为30MPa~80MPa时,胶筒未发生轴向窜动,橡胶基体的剪切应力及接触压力随着压裂泵压的增加而增大;井温为25℃~175℃时,胶筒基体剪切应力随井温的升高而增大,胶筒与套管间接触压力随井温升高而降低;胶筒与套管环空间隙为2.5mm~9.5mm,胶筒剪切应力随间隙增加而增大,胶筒与套管接触压力随间隙增加而降低.通过胶筒网格变形可知,胶筒橡胶在环空间隙中产生非线性流动是引起胶筒剪切应力数值增大、接触压力数值降低的根本原因.综上可得,在压裂作业中,随着压裂泵压的增大、井温的升高和环空间隙的增大,封隔器胶筒更容易发生剪切撕裂破坏,且封隔器的密封效果亦降低.

基于Arrhenius方程封隔器胶筒的寿命预测研究

为预测封隔器胶筒的使用寿命,文章将封隔器胶筒的橡胶材料的拉伸强度作为评判封隔器胶筒密封失效的依据,采用加速老化试验方法对封隔器胶筒橡胶材料寿命进行预测研究,并根据现场应用效果统计验证预测结果。首先将与封隔器胶筒同批次的四丙氟橡胶材料制成标准试样,分别在200、230、260和280℃下进行热空气加速老化试验,分析其拉伸强度与老化温度和老化时间的关系。基于Arrhenius方程原理,结合有限元分析结果和地面性能试验数据,拟合后得到退化轨迹方程,进行封隔器寿命的预测研究。研究表明:封隔器胶筒寿命与温度呈线性相关关系;应用Arrhenius方程预测封隔器胶筒寿命,其结论对现场具有较好的参考意义。

气井压裂完井一体化用封隔器胶筒关键技术研究

为满足大庆深层气井压裂完井一体化工艺技术要求,压裂完井一体化用封隔器胶筒需满足耐温150℃、承压70 MPa,长期密封油套环空要求。优选“全氟醚+纳米材料”橡胶材质,应用Yeoh模型表征封隔器胶筒大应变本构特征,采用室内实验建立胶筒试件拉伸应力应变曲线,并求解封隔器胶筒材料参数。通过建立封隔器胶筒、隔环、保护伞、套管有限元计算模型,分析封隔器坐封工况下各胶筒受力变形,优化胶筒边部保护结构,即最优倒角30°。根据坐封计算结果,获得了胶筒坐封载荷与接触总应力关系曲线、坐封载荷与压缩距关系曲线,为封隔器胶筒结构设计提供依据。现场应用表明,封隔器胶筒能达到耐温154℃、承高压79 MPa、有效密封油套环空4年以上的技术指标。封隔器胶筒成功应用,提高了压裂完井一体化工艺可靠性,节约了作业成本。

尼龙66帘线扩张式封隔器胶筒复合界面力学性能

以尼龙66帘线扩张式封隔器胶筒为研究对象,对其进行单根帘线拔出试验,得到帘线与基体界面的临界破坏能;采用内聚力模型描述胶筒中帘线与橡胶基体界面的黏结状态,并建立尼龙66帘线与橡胶基体复合界面的脱黏失效准则;分析不同压力和井温环境下尼龙66帘线封隔器胶筒复合界面力学及工作性能。结果表明:胶筒中填充尼龙帘线能有效保护胶筒基体,避免橡胶基体发生剪切撕裂破坏;压裂泵压为80 MPa时下胶筒复合界面的破坏能大于临界破坏能,帘线与基体发生界面脱黏失效;在井温达到175℃时胶筒基体未发生剪切撕裂破坏,且胶筒复合界面胶接良好,尼龙66帘线扩张式封隔器胶筒能在较高井温环境下工作。

封隔器胶筒非线性仿真及性能评价

以高温、高压深井试油作业中常用的RTTS封隔器为研究对象,考虑封隔器的材料、几何、接触非线性特征,应用非线性有限元理论,以Mooney-Rivlin应变能函数建立非线性材料模型,综合运用杂交网格、非线性自适应区域、罚刚度算法等处理几何、接触非线性导致的难收敛问题。建立RTTS封隔器三维有限元模型,应用控制变量法研究封隔器密封性能的影响因素。研究发现:胶筒的等效应力及接触压力随坐封载荷的线性增大而非线性增大;随着胶筒个数的增加,胶筒接触压力沿远离压缩端方向依次降低;胶筒的接触压力随摩擦因数、材料硬度的增加而非线性降低。该研究结果可以为封隔器胶筒的改进设计提供参考。

水下设备密封胶筒截面形状的响应面优化

胶筒的密封性能对于封隔器等水下设备来说极为重要,而胶筒的截面形状是影响胶筒密封性能的重要因素之一。一般来说,胶筒的上端与下端受到的约束条件并不相同,并且在密封性能方面,胶筒上端接触压力更大,且胶筒的各个结构参数相互影响。因此建立综合考虑胶筒上端厚度与倒角角度的二维数值模型,以外筒内侧受到的应力为优化目标,引入防肩突变量作为防止肩突发生的约束条件,利用响应面优化方法结合多目标遗传算法,对胶筒的端面厚度和角度进行优化。结果表明:在有限元仿真中,防肩突变量可有效地反映出胶筒在挤压过程中是否出现的肩突情况;在优化过程中加入防肩突变量进行约束,可避免得到产生肩突的胶筒结构参数值。优化得到了胶筒上端厚度比下端厚度大的胶筒截面结构,其密封性能比传统的胶筒截面结构更有优势。提出的不对称胶筒截面形状对类似密封件的研究有重要的理论意义。

高温高压测试封隔器胶筒的研制

针对中国西北和西南地区超深、超高温、高压油气井测试封隔器胶筒性能指标不达标问题,研制了与?193.7 mm测试封隔器相配套的高温高压测试封隔器胶筒。采用三胶筒结构设计,中间胶筒起密封作用,2个端胶筒硫化钢网和拉伸弹簧增强承压能力和回缩能力;优选了FKM(氟化橡胶)材料,提高了胶筒耐温性能;通过有限元分析,验证了胶筒结构设计和硬度可以满足设计需求。依据API 11D1标准对封隔器高温高压密封性能进行了室内测试,承压试验结果表明,封隔器胶筒达到了204℃、105 MPa、V0级。将胶筒与现有测试封隔器装配,进行了样机试验,结果表明,工具在150℃升温到204℃情况下封隔器胶筒下部和上部均承压差105 MPa,胶筒尺寸参数变化率在5%以内,现场应用进一步验证了该胶筒的可靠性。该测试封隔器的研制成功可助力于超深、超高温、高压油气田的高效开发。

连续管防喷盒胶筒摩擦机理及过管稳定性分析

为了降低连续管过防喷盒的摩擦力和注入井内时连续管径向无支撑段的失稳风险,对连续管过防喷盒摩擦行为及其稳定性进行研究。采用试验方法对防喷盒胶筒进行了微观摩擦磨损分析,同时采用有限元与二次开发相结合的方法,建立了连续管过防喷盒的有限元模型及摩擦力计算程序,并分析了连续管运动状态、摩擦因数和井筒介质压力等因素对连续管过防喷盒的摩擦力及其稳定性的影响规律;依据连续管注入井内时连续管的轴向力计算模型,采用压杆稳定理论,计算不同摩擦因数和井筒介质压力时连续管无支撑段最大允许长度。研究结果表明:磨粒磨损是胶筒的主要失效形式,摩擦力的主要来源为机械作用力;井筒介质压力增大,摩擦力增大,连续管无支撑段最大允许长度值减小,其最大允许长度值应小于0.46 m。所得结论可为优化作业参数和计算连续管无支撑段最大允许长度提供理论基础。

基于有限元仿真的水下设备胶筒防肩突变量分析

对于封隔器等水下设备,胶筒的密封性能极为重要,而胶筒的截面形状是影响胶筒密封性能的重要因素之一。在胶筒受到过大的轴向行程时,会出现肩突,从而导致密封失效。为防止出现肩突,文中定义一个新的参数,防肩突变量。在利用有限元软件进行压缩胶筒的仿真过程中,当防肩突变量不小于0时,则胶筒不会发生肩突。文中提出的防肩突变量对橡胶和类似密封件的有限元仿真研究有重要的理论意义。

压缩式封隔器胶筒的研究进展

介绍油气开采用压缩式封隔器的工作原理以及封隔器胶筒的材料与结构和隔环的结构的研究进展。建议封隔器胶筒的主体材料采用综合性能好的氢化丁腈橡胶和耐高温性能好的氟橡胶;改进胶料配方,以获得高性能的胶筒橡胶材料;在有限的胶筒数量下,改进胶筒的结构,增加其有效接触长度和接触应力;设计结构可靠的隔环,有效提高封隔器的密封性能和延长其使用寿命。

裸眼中测封隔器胶筒骨架材质与力学分析及其改进

针对裸眼中途测试封隔器胶筒骨架落井现象,在对压缩式裸眼测试封隔器胶筒骨架材质分析的基础上,运用有限元方法对胶筒骨架应力和变形进行了分析,并以胶筒骨架强度安全为前提提出了裸眼中测允许测试压差的计算方法。分析结果表明,"细脖子"与扣盘结合处应力最大,最易损坏;球墨铸铁虽有较高的强度和韧性,但脆性较大,在较大冲击载荷下易损坏。为此,提出用强度更高且易磨的优质合金结构钢35CrMo取代球墨铸铁作为胶筒骨架材料,并在胶筒骨架与橡胶接触部位加工了特殊形状的容胶槽,从而提高了胶体与胶筒骨架的结合强度。

高温高压薄壁胶筒优选试验设计和评价

通过对现有高温密封材料综合性能的分析评价,优选出改性PTFE作为高温胶筒的密封材料。改性PTFE密封材料硬度高,耐磨损,耐蠕变性能好,不易冷流,耐温350℃,耐压高于15 MPa,符合项目和现场热采封隔器高温密封需要。截至目前,高温高压薄壁胶筒已经在河南油田第二采油厂井楼油矿试验应用了3口井,分别为L1527、L1182和L3071井,工艺成功率为100%,封堵有效率为100%,满足了热采井高温封堵密封的实际需要。

过电缆封隔器胶筒耐压试验及接触应力测试

为了研究过电缆封隔器胶筒密封性能,设计加工了胶筒高温耐压试验装置。对带弹簧防突单胶筒、带弹簧防突双胶筒、带弹簧防突三胶筒和带放气孔双胶筒进行常温、60和120℃高温下耐压试验,试验中采用电测法测定胶筒套管间接触应力,并获得了接触应力沿套管轴向的分布规律。通过分析4种胶筒结构峰值接触应力与接触应力沿接触长度的积分值,优选出带弹簧防突三胶筒和带放气孔双胶筒为较优结构,同时建议对带放气孔双胶筒设计端部保护结构。研究结果可为过电缆封隔器的现场安全使用提供参考。

止浆塞胶筒密封状态分析及止浆压力提高措施

止浆塞是地面预注浆中的重要机具 ,密封胶筒是止浆塞中的关键元件 ,胶筒的弹性和防突能力是影响止浆能力的两大因素。通过胶筒工作状态受力分析 ,总结出提高止浆压力的方法。最后介绍了可有效提高止浆塞的止浆压力 ,并且在孔壁质量较差的情况下也能实现密封的防突型胶筒。

胶筒系统接触有限元优化设计

为了研究封隔器胶筒几何参数对密封性能影响,将套管、隔环、中心衬管和胶筒作为一个系统建立接触有限元优化设计模型。应用ANSYS的参数化设计语言APDL,编制其命令流。研究了几何特征参数和峰值接触压力之间的关系并进行了参数优化设计。结果表明:胶筒的总厚度对密封性能影响很大,胶筒子厚度对密封性能影响较小,胶筒的高度对密封性能的影响存在最优方案,接触倾角选取必须慎重。高度和接触倾角双因素优化设计结果显示:与初始方案相比,高度降低37.5%,接触倾角降低8.9%,峰值接触压力升高13.38%。