井下设备密封环泄漏预测计算方法研究
本文关键词: 井下设备 密封环 磨损 泄漏预测 有限元 出处:《哈尔滨工业大学》2015年博士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:密封环是井下设备中最常用的密封元件之一,随井下设备一起承受高温高压环境的考验。除了受到恶劣的井下环境影响,井下设备中的密封环有时还需要完成特殊的密封任务而需要设计新的密封环结构。依靠常规的设计经验难以对井下设备密封环的密封性能做出准确的预测。泄漏量是能够直接反映密封环密封性能的指标,通过实验方法能够准确预测密封环的泄漏量变化规律。但是考虑到在地面模拟井下高温高压环境既复杂又浪费成本,采用实验方法预测密封环泄漏量并不具有普遍性。随着计算机技术的不断发展,数值计算方法在密封性能分析领域得到了广泛的应用。与物理实验方法相比,数值计算方法具有节约成本、可获得难测量物理参数的优势。为了使密封环泄漏预测计算方法能够在井下设备中获得更普遍的应用,本文基于数值计算方法对井下设备中的密封环泄漏预测计算方法进行了研究。在论文开始部分,首先对课题的研究目的和意义进行了阐述,对与课题相关的国内外研究现状进行了综述,总结分析了每个领域的发展现状和尚待进一步完善的工作,最后,提出了本文的研究内容。研究了井下设备静密封环泄漏预测计算方法。建立了井下设备静密封环泄漏预测计算方法的总体框架,给出了框架中各模块的功能及模块间参数传递关系。基于分形理论,建立了静密封环与对偶件局部接触有限元模型。建立了井下设备静密封环泄漏预测模型,基于渗流理论和弹性体接触理论给出了井下设备静密封环泄漏预测计算方法的实现流程。对不同材料、不同形状的静密封环在不同环境下的泄漏量进行了预测分析,并通过实验验证了其正确性。研究了井下设备动密封环在全膜润滑状态下的泄漏预测计算方法。建立了井下设备动密封环在全膜润滑状态下的泄漏预测计算方法总体框架,给出了框架中各个模块的功能及参数传递关系。建立了井下设备动密封环在全膜润滑状态下的泄漏预测模型。建立了动密封环的结构有限元模型,引入非牛顿流体界面单元,基于弹性流体动力学求解方法和有限元计算方法对动密封环流固耦合问题进行了求解,给出了井下设备动密封环在全膜润滑状态下的泄漏预测计算方法实现流程。对不同材质的动密封环在不同环境、不同相对运动速度下的泄漏量进行了预测,通过实验证明了预测方法的正确性。研究了井下设备动密封环在混合润滑状态下的泄漏预测计算方法。建立了井下设备动密封环在混合润滑状态下的泄漏预测计算方法框架,给出了框架中各个模块的功能及参数传递关系。给出了动密封环在混合润滑状态下的名义动摩擦系数概念。建立了动密封环瞬态热固耦合模型。基于有限元网格划分技术,提出了用于动密封环磨损仿真的网格重构技术,并在此基础上建立了动密封环磨损仿真方法。基于逆润滑方法和直接润滑方法,给出了井下设备动密封环混合润滑状态下泄漏预测计算方法的实现流程。对不同材质的动密封环在不同活塞杆运动速度下的泄漏量进行了预测,通过与实验结果验证了预测方法的正确性。对模拟井下工况中随钻压力测量装置内的密封环泄漏预测计算方法进行了应用研究。介绍了随钻压力测量装置的功能、结构以及内部液压系统的驱动方案。以推靠组件近端面动密封环和探头组件端面静密封环为例进行了泄漏量预测分析,给出了动密封环的最佳压缩率,还给出了静密封环的最佳结构形式以及泄漏量与压缩率间的关系,通过实验证明了设计方案的正确性。
[Abstract]:The sealing ring sealing element is one of the most commonly used downhole equipment, downhole equipment together with high-temperature and high-pressure environment test. Apart from the adverse effects of the underground environment, the sealing ring of underground equipment and sometimes also need to complete the special sealing tasks need to design a new sealing ring structure. Depending on the sealing performance of the conventional design experience is difficult to downhole equipment sealing ring to make accurate predictions. The leakage can directly reflect the sealing performance of the seal ring index, through the experimental method can accurately predict the seal ring leakage variation. But considering the simulation of HTHP environment on the ground is complex and the cost of waste, using the method of prediction of seal ring leakage is not universal. With the continuous development of computer technology, numerical calculation method has been widely used in the field of performance analysis and physical experiment. Compared with other methods, numerical calculation method is cost saving, can obtain the advantage of measuring physical parameters difficult. In order to make the seal ring leakage prediction method can be more widely used in downhole equipment, based on the numerical calculation method of the sealing ring of underground equipment leakage calculation method. At the beginning of this first. The purpose and significance of the research topic is discussed, this paper summarizes the status quo of research on the topic at home and abroad, summarizes and analyzes the development status of each field to be further improved and the work, finally, put forward the research content of this paper. The research of static seal ring leakage prediction method of downhole equipment. A static seal ring leakage prediction framework calculation method of downhole equipment, gives the function of each module and the data is delivered in the framework of fractal theory based on the relationship, A local static sealing contact finite element model and the dual ring. The static seal ring leakage prediction model of downhole equipment, percolation theory and elastic contact theory is given based on static seal ring leakage flow calculation method of downhole equipment. For different materials, different shapes of the static seal ring leakage in different environments analyze and validate its correctness by experiment. The downhole equipment dynamic seal ring leakage in full film lubrication regime prediction calculation method is established. The downhole equipment dynamic seal ring leakage in full film lubrication regime prediction calculation framework method, transfer function and parameters are presented in the framework each module was established. Seal ring leakage prediction model in full film lubrication regime dynamic downhole equipment. A finite element model of the sealing structure, the introduction of non Newtonian fluid The interface unit, based on the method of solving elastic fluid dynamics and finite element calculation method of dynamic sealing fluid solid coupling problem is solved, gives the downhole equipment dynamic seal ring leakage in full film lubrication regime prediction process calculation method. For different materials sealing in different environment, different relative leakage velocity the prediction accuracy is proved through experiments. The prediction method of downhole equipment dynamic seal ring leakage in mixed lubrication state calculation method is established. The sealing ring in the mixed lubrication leakage state calculation method framework of downhole equipment, the transfer function and parameters of each module in the framework the movable sealing ring is given. In the name of mixed lubrication under the dynamic friction coefficient is established. The concept of dynamic seal ring transient thermo mechanical coupling finite element mesh based on the model. Method for dynamic sealing ring mesh reconstruction technology of wear simulation is proposed, and based on the established dynamic sealing ring wear simulation method. The inverse lubrication method and direct lubrication method based on dynamic flow calculation method for predicting the leakage of sealing ring under mixed lubrication is presented. The leakage of underground equipment of different materials moving the sealing ring in different piston rod velocities were predicted by the validated prediction method and experimental results. The simulation of downhole working conditions while drilling in sealing ring pressure measuring device in the leakage prediction calculation method was studied. The drilling pressure measuring device of the function, structure and driving scheme the internal hydraulic system. In order to push on the proximal surface of the sealing ring and the component dynamic probe assembly end face static seal ring as an example of the prediction and analysis of leakage, gives the best seal ring The compression rate, the best structure of the static seal ring and the relationship between the leakage and the compression rate are given, and the correctness of the design is proved by the experiment.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TE931.2;TB42
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,本文编号:1507327
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