分层注水长胶筒封隔器力学分析与设计研究

发布时间：2020-02-19 01:39

【摘要】：国内大多数油田开发已经进入中后期,油层含水量逐渐上升,层问矛盾加剧,为了增加石油产量,提高油田生产效益,油田的增产措施由层间转为大厚层内的薄差油层开采,而现有的分层注水工艺无法满足层内薄差油层精细分层注水需求,其原因主要由于分层注水封隔器胶筒长度过小,在封隔器坐封时由于管柱窜动、磁定位误差的影响,无法确定封隔器具体的坐封位置,为此需要研究一种用于大厚层内卡封的长胶筒封隔器,通过对薄夹层的反向封隔,达到对设定层段的有效坐封；与此同时,由于封隔器的坐封层段已经射开,射孔后的套管内壁会出现不规则甚至有刺向内部的残片,使长胶筒膨胀坐封时有可能划破胶筒造成卡封失败。因此,我们有必要对封隔器工作时胶筒的受力情况进行研究,分析胶筒的应力分布规律,从而为长胶筒封隔器在现场应用提供指导意见。本文根据扩张式注水封隔器原理,主要针对K344-112型,胶筒长度为720mm、970mm两种长胶筒封隔器,胶筒材料均为氢化丁腈,采用Mooney-Rivlin本构模型,运用有限元分析方法按照封隔器在坐封和注水两种工况下,分别对常规条件及套管射孔条件下的封隔器进行坐封数值模拟研究。分析结果表明,长胶筒封隔器在坐封过程中,胶筒下端首先胀开,中端及上端随着压力增大逐渐胀开,胶筒整体胀开不均匀；在常规条件下,封隔器胶筒在坐封后的应力集中区出现在胶筒的肩部；其中,胶筒下肩部应力集中现象尤为明显,胶筒等效应力最大值在胶筒许用应力以内,胶筒不会被破坏。当封隔器坐封于炮眼段时,胶筒在肩部、毛刺部位均发生应力集中现象；其中,在胶筒上端与炮眼接触时,720mm胶筒最大等效应力值出现在下肩部,970mm胶筒最大等效应力值位于上肩部；胶筒中部、下端分别与炮眼接触时,胶筒最大等效应力值均在下肩部；封隔器在坐封后,只有胶筒在注水压力8MPa-12MPa下胶筒等效应力最大值在胶筒许用应力以内,胶筒不会被破坏。根据有不同条件下封隔器力学分析可知,无论封隔器坐封于炮眼段或是未射孔套管,胶筒均在肩部发生应力集中,其中下肩部应力集中现象最明显,而发生应力集中的主要原因是由于补偿结构的影响。由此可见,在对胶筒尺寸优化以减轻应力集中的同时,也应该对补偿结构进行优化。根据优化结果,720mm胶筒封隔器在胶筒接触倾角A=31.127。,胶筒内径R1=75.472mm,胶筒外径R2=111.39mm,补偿结构DT=0.0649mm时结构最优；优化后胶筒最大等效应力为8.837MPa,比未优化胶筒低5.085MPa,封隔器结构整体优化良好；970mm胶筒封隔器在胶筒接触倾角A=38.44。,胶筒内径R1=75.925,胶筒外径R2111.98,补偿结构DT=0.0459mm时结构最优；优化后胶筒最大等效应力为11.272MPa,比未优化胶筒低3.038MPa,封隔器结构优化良好。
【图文】：

结构示意图,胶筒,封隔器,坐封

其胶筒长度分别为７２０ｍｍ、９７０ｍｍ；挡碗长度为ｌｌＯｍｍ；由于胶筒长度过逡逑长，在胶筒加工时需要预留ｌＯｉｎｉｎ的余量Ｗ便封隔器组装，封隔器的基本结构如逡逑图１－１所示。逡逑Ｌ逦（＝：逦＾逦、７逦＿＿＿－１＾逡逑／邋／邋＾＝＾＾１逡逑１逦２逦３逦４逦５逦６逦１逦．逡逑定．逡逑１－上接头２－上挡碗３－中也管４－胶筒５－下挡碗６－传液孔７－下接头逡逑图１－１Ｋ３４４－１１２型长胶筒封隔器结构示意图逡逑Ｆｉｇ邋１－１邋Ｋ３４４－１１２邋ｌｏｎｇ邋ｒｕｂｂｅｒ邋ｔｕｂｅ邋ｐａｃｋｅｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑工作原理：坐封时，水经中也管３上的传液孔６进入胶筒４与中屯、管３之间逡逑的环形密封腔，当油套压差大于０．５ＭＰａ时，胶筒４膨胀坐封；其中下挡碗５可１＾邋，逡逑沿下接头７上行１０ｍｍ。解封时，当油套压力平衡时，封隔器即可解封。逡逑１．４本文主要研究内容及创新点逡逑１．４．１主要研究内容逡逑本文Ｗ某油田Ｋ３４４－１１２型长胶简封隔器为研究对象，胶筒长度分别为７２０ｍｍ、逡逑９７０ｍｍ，胶筒材料为氨化下腊橡胶，邵氏硬度９０，许用抗拉强度２８Ｍ化。通过运逡逑用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件在封隔器卡封层段己经射开的情况下，分别对封隔器坐逡逑封过程、注水过程两种工况中胶筒的受力进行数值模拟。分析长胶筒在不同情况下逡逑的受力状况，对应力集中区域进行结构优化，改进应为集中区域的结构。本文具体逡逑解决下几个问题：

示意图,胶筒,受力分析,示意图

其中胶筒下端的作用力是由于封隔器补偿结构（如图１－１）的原因，当油管内流体逡逑由传液化进入环形密封腔同时作用于挡碗结构，推动挡碗向上移动，作用力大小等逡逑于油管内压力Ｐｉ，，胶筒在坐封过程中的受力分析如图２－１邋（ａ）所示；在注水过程逡逑中，由于封隔器己经坐封完毕，此时胶筒内腔受Ｐｉ，胶筒外部受上注水压力Ｐｕ及逡逑下注水压力Ｐｄ，胶筒在注水过程中的受力分析如图２－１邋（ｂ）所示。逡逑RG逦Ｗ逡逑二二Ｉ逦二是逡逑Ｐ１号逡逑二二逦：毒逡逑一一Ｉ逦二逡逑一一邋Ｉ逦哥；：逡逑明Ｗ逡逑（ａ）坐封过程逦（ｂ）注水过程逡逑图２－１胶筒受力分析示意图逡逑Ｆｉｇ邋２－１邋Ｒｕｂｂｅｒ邋ｔｕｂｅ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑９逡逑
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE931.2

【参考文献】