深层气井封隔器胶筒力学行为仿真

图 7 临界坐封力与胶筒高度的关系 Fig. 7 Relation between critical setting force and rubber length
图8
胶筒与套管间摩擦力和胶筒高度的关系 Fig. 8 Relation of rubbercasing friction force to rubber length
图 4 坐封后胶筒受到的摩擦应力 Fig. 4 Friction stress of rubber after setting
2. 1 × 10 5
从图 3 可以看出，上胶筒的接触压力大于下 胶 ， 筒 胶筒两端接触压力大于胶筒中间接触压力，胶 筒顶端接 触 压力 最 大。 这 是 因 为 在 轴 向 压力作 用
7 和图 8 所示。从图 7 可以 看出， 临 界 坐 封 力 随 胶 筒高度的增加而减小，减小速度随胶筒高度的增加 而变小。从图 8 可以看出，胶筒与套管间摩擦力 随 胶筒高度的增加而增大，增加胶筒高度有利于提高 胶筒与套管间的接触摩擦力。
3
参数敏感性分析
封隔器参数选择不合理以及未考虑工作 环境 参
— 92 — 油气田开发工程
石
油
机
械
2012 年
第 40 卷
第9 期
深 层气井 封隔 器 胶筒 力 学 行 为 仿真
丁亮亮
1
*
练章华
2
彭建云
1
张
宝
1
曾
努
1
马亚琴
1
( 1. 中石油塔里木油田分公司 2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室)
摘要: 以深层气井测试作业过程中常用的 RTTS 封隔 器 为对 象，采用 ANSYS 软件 建 立 了 封隔 器胶筒非线性材料大变形接触问题的力学模型， 开展 了 坐 封 后 胶 筒 的 受 力 与 变形 规 律 研究， 并 对 影响封隔器密封性能的各种结构参数和材料 参 数 进行了 敏 感 性 分析。 分析 结果表明， 胶 筒 高 度 越 高、胶筒硬度越小，越易坐封; 胶筒厚度越 小、 胶 筒 高 度 越 高、 胶 筒 摩擦 因数 越 小， 胶 筒 与 套管 间接触力越大。需要特别指出的是，存在一个胶 筒 坐 封 最 容 易 的 中 等 厚 度， 存 在一 个 胶 筒 与 套管 内壁接触力最大的胶筒硬度，随着摩擦因数的增大，胶筒与套管内壁间接触力减小，摩擦力增大。 关键词: 深层气井; 封隔器; 胶筒; 力学性能; 仿真 中图分类号: TE27 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 4578 ( 2012 ) 09 － 0092 － 04
胶筒隔环
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石
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机
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下，胶筒中 间 首 先 发 生 径 向位移 接 触 到 套管内 壁 上，随着轴向力的增加，胶筒完全接触到套管内壁 后，在胶筒顶端边界出现应力集中，导致非常大的 接触压力。从图 4 可以看出，胶筒受到的最大摩擦 应力在胶筒与套管内壁接触面上，上胶筒比下胶筒 受到的摩擦应力大。
［2 ］
。
0
引
言
封隔器胶筒的力学性能是决定封隔器工作性能 的关键。胶筒是具有超弹性的橡胶材料，采用理论 公式描述 非 常 困 难 验
［5 ］ ［3 ～ 4 ］
封隔器作为一个关键井下工具广泛应用于气井 的射孔、压裂和产气等作业过程，通过封隔油管与 套管间的环形空 间 来实现 各 种 作 业 的 堵封 要 求
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丁亮亮等: 深层气井封隔器胶筒力学行为仿真
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论和 建 议。 但 随 着 越 来 越 多的 深 井、 超 深 井的 开 发，对封隔器的力学性能及密封性能提出了更高的 要求。因此，笔者以深层气井测试作业过程中常用 的 RTTS 封隔 器 为 对 象， 采用 ANSYS 软件建立 封 隔器胶筒力学行为分析模型，开展胶筒的非线性材 料大变形接触问题研究。
Fig. 1 Table 1
结构 名称 套管 中心管 胶筒
图 1 封隔器仿真模型 Relation curve of expansion rate and contact force 表 1 封隔器胶筒的几何和力学参数 Geometric and mechanical parameters of packer rubber
［1 ］
。国 内 外 学 者 采 用 室 内 试
。
2 种 方法 对 封 隔 器 胶 筒 的力学性能做了大量研究工作，为封隔器的结构优 和有限元数值模拟 化、坐封方式优选、胶筒材料优选等提供了大量理
［6 ～ 8 ］
确保封隔器安全有效的工作是保证深层气井作业成
* 基金项目: 国家自然科学基金项目 “基于数值模拟的复杂地层地应力场反演研究” ( 50774063 ) 。
内径 / mm 外径 / mm 高度 / mm — — 69. 85 13. 50 弹性模量 / MPa 2. 1 × 10 9. 14 2. 1 × 10 5
5
泊松比 0. 25 0. 25 0. 49 0. 25
168. 30 193. 70 61. 20 82. 55 82. 55 82. 55 161. 30 161. 30
图 9 胶筒与套管间的接触力和摩擦因数关系曲线 Fig. 9 Relation of rubbercasing contact force to friction factor
2
有限元力学分析
坐封完成时胶筒变形分析结果如图 2 所示。 从 图可以 看出， 封 隔 器 胶 筒纵 向位移 为 29. 63 mm， 径向位移为 5. 92 mm，由于摩擦载荷的作用，胶 筒 接触到套管后上胶筒的变形量逐渐大于下胶筒。
1
有限元仿真模型建立
封隔器胶筒在轴向力作用下发生变形后与井筒 接触，通过胶筒与套管间的接触摩擦力来封隔油套 环空，胶筒 与 套管内 壁 间 的 接 触 摩擦 具 有 如下 特 ［9 ］ 点 : ①胶筒的 变 形 量 很 大， 属 于 几 何 非 线 性范 畴; ②胶筒是超弹性材料，其材料本构关系是非线 性的; ③套管的变形量非常小，属于小变形弹性问 题; ④胶筒与套管内壁间的摩擦接触是非线性的。 胶筒的非线性材料在坐封与作业过程中属于大 变形超弹性问题，采用理论公式很难描述清楚。因 此，以常用的 RTTS 封隔 器 为 对 象， 采用大 型 有 限 元分析软件 ANSYS 开展胶筒的力学行为研究。 RTTS 型封隔器 是一种 机械 压 缩 式 全 通 径套管 封隔器，它依靠管柱的压重实现坐封，在整个测试 过程中，必须确保封隔器受到的坐封力大于其最小 坐 封 力 才 能 保 证 有 效 密 封。 以 使 用 最 广 泛 的 193. 67 mm 封隔器为研究对象，RTTS 封 隔 器 胶 筒 系统的简化分析模型和网格划分如图 1 所示。封 隔 器胶筒的几何和力学参数如表 1 所示。
图 6 胶筒与套管间接触力和胶筒厚度关系曲线 Fig. 6 Relation of maximum rubbercasing contact pressure to rubber thickness
从图 6 可以看出，胶筒与套管内壁间最大接 触 力随胶筒厚度的增加而减小。 3. 2 胶筒高度 不同胶筒高度下胶筒力学行为的分析结果如图
3. 3
图 5 临界坐封力与胶筒厚度关系曲线 Fig. 5 Relation between critical setting force and rubber thickness
摩擦因数
保持其他参数不变，对胶筒与套管内壁间不同 摩擦因数下胶筒的力学行为进行仿真分析，分析结 果如图 9 和图 10 所示。 从图 9 可以看出，胶筒与套管间接触力随摩擦 因数的增大而 减 小， 上 胶 筒 减 小速度小 于下 胶 筒; 从图 10 可以看出， 胶 筒 与 套管内 壁 间 摩擦 力 随 摩 擦因数的增大而增大，提高摩擦因数能提高整个胶 筒与套管内壁间的摩擦力。
［ 10 ］
数影响是造成封隔器失效或失封的主要原因
。因
此，对封隔器各主要结构参数和材料 参数 进 行 敏 感 性分析，得出各参数对封隔器力学行为的影响规律。 3. 1 胶筒厚度 保持封隔器到套管内壁的距离不变，通过改变 封隔器外径和套管内径，对不同封隔器厚度下胶筒 的力学行为进行仿真分析，分 析结 果 如 图 5 和 图 6 所示。从图 5 可以看出，随胶筒厚度的增加，临 界 坐封力先 增大 后 减 小， 对于具 体 的 封 隔 器 工 作状 况，有一个最易坐封的最优封隔器厚度。
Fig. 2 图 2 胶筒变形分析结果 Analysis result of rubber deformation
坐封完成时，胶筒与套管内壁间的接触压力分 析结果如图 3 所示。胶筒与各接触面间的摩擦应 力 如图 4 所示。
图 3 胶筒与套管内壁间的接触压力 Fig. 3 Contact pressure between rubber and casing inner wall
Ma Yaqin1
( 1 ． PetroChina Tarim Oilfield Company
2 ． State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest
Abstract : Taking the RTTS packer commonly used in deep gas well testing operation as the object of study， the ANSYS software was adopted to establish the mechanical model for analyzing the large deformation contact problem of packer rubber nonlinear material． The law of force and deformation of the rubber after setting was studied． The sensitivity analysis of the effect of various structural parameters and material parameters on packer sealability was conducted． The simulation analysis shows that the longer the rubber，and the smaller the rubber hardness，the easier the rubber is set; the thinner and longer the rubber thickness， the smaller the rubber friction factor and the larger the contact force between rubber and casing． It is necessary to point out that there exists a medium thickness for the rubber to set most easily and a rubber hardness for the maximum contact force between rubber and casing inner wall． With the increase of friction factor， the contact force between rubber and casing inner wall decreases and the friction force rises． Key words: deep gas well; packer; packer rubber; mechanical performance; simulation 功和安全生产的关键