整体式卡瓦断裂仿真及实验研究
发布时间：2020-12-11 01:50
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。
【文章来源】：应用力学学报. 2020年04期 第1641-1648+1866页 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
卡瓦一次断裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料参数确定
?2金属断裂损伤理论基础2.1损伤演化在ABAQUS中的损伤演化类型分为位移和能量，分别从破坏时的位移和断裂能的角度求损伤的演化[12]。对于位移求损伤变量，其采用类似脆塑性模型的方法；对于能量方法，通过断裂所需的能量求出损伤变量。ABAQUS中的损伤演化是从损伤萌生开始算起的，表现为材料刚度的降低。默认损伤萌生之前损伤因子为0，材料断裂时损伤因子为1。它描述了材料损伤时的特征应力-应变行为。在各向同性硬化弹塑性材料中，损伤表现为屈服应力软化和弹性退化两种形式。图1中实线为损伤应力-应变响应，虚线为无损伤时的响应。图1损伤逐步退化的应力-应变曲线Fig.1Stress-straincurvewithprogressivedamagedegradation图1中y0和pl0为损伤开始时的屈服应力和等效塑性应变，plf为破坏时的等效塑性应变；D表示材料屈服之后线性应力与实际应力的差值，即当整体损伤变量达到D=1时，整体损伤变量D由单个损害变量id累积而成。plf的值取决于单元的特征长度；损伤演化规律用等效塑性位移plu和断能fG表示。ABAQUS中包括延性金属损伤、服从Traction-Separation法则的损伤、纤维增强复合物的损伤、弹性体损伤。对于延性金属损伤，剪切损伤模型用于预测剪切带局部化引起的损伤，FLD、FLSD、MSFLD、M-K损伤都是用于预测金属薄片成型引起的损伤。延性损伤和Johnson-Cook损伤都是一类模型，预测由于延性金属内部空隙成核、成长、集结引起的损伤。模型假定损伤发生时的等效塑性应变是三轴应力和应变率的函数。该延性准则由Mises、Johnson-Cook、Hill、Drucker-Prager塑性模
整体式卡瓦的失效形式在油田勘探和开发中，桥塞作为一种井下封堵工具，广泛用于对油水井分层压裂、分层酸化、分层试油施工时封堵下部井段。图2为适用于内径114.3mm套管的桥塞结构示意图，桥塞内部的整体式卡瓦在桥塞坐封过程中断裂张开与套管内壁咬合，桥塞坐封完成后，卡瓦起到支撑桥塞、锁定胶筒的作用。图2桥塞结构示意图Fig.2Bridgeplugschematicdiagram卡瓦与套管的锚定效果是桥塞坐封成败的关键，但由于一些其它不可预知因素(如工具坐封力以及卡瓦断裂形式)，可能导致桥塞坐封失败。如图3所示，下卡瓦在桥塞坐封时发生C字形断裂，卡瓦锚定套管后，C字形开口两侧的卡瓦齿与套管咬痕较深，在轴向载荷作用下，卡瓦在套管出现偏心状态。因此，造成沿断裂面两边的卡瓦本体集中受力，导致卡瓦前端被撕裂，桥塞坐封失败。图3卡瓦失效形式Fig.3Failuremodeofintegralslip3.2整体式卡瓦数值模拟分析卡瓦的断裂形式对其与套管的锚定效果有极大的影响，图3中卡瓦的断裂方式并不理想，但如果能通过仿真模拟还原卡瓦的断裂过程，对后续卡瓦结构改进能否达到理想的断裂状态，这种研究方法可以节约实验成本。因此，建立了整体式卡瓦一次断裂有限元分析模型，如图4所示，本次分析以下卡瓦为研究对象，为简化分析模型，仅保留与下卡瓦相接触的锥体和隔环两个部件参与分析。图4卡瓦一次断裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料参数确定卡瓦内受锥体挤压后，沿应力槽裂开，其断裂形式可理解为拉伸破坏，另外在卡瓦坐封后的承压阶段卡瓦处于轴向拉伸状态，其失效形式也是拉伸破坏。为得到准确的有限元分析结果，因此进行了材料单轴拉伸实验，以
【参考文献】：
期刊论文
[1]可降解桥塞坐封过程卡瓦力学分析[J]. 王林,平恩顺,李楠,黄其,孙明辉. 石油机械. 2017(12)
[2]整体式卡瓦断裂压力的试验研究[J]. 刘景超,王晓,马认琦,董健,李清涛,王世强. 钻采工艺. 2016(04)
[3]金属材料脆性断裂机理的实验研究[J]. 李智慧,师俊平,汤安民. 应用力学学报. 2012(01)
[4]整体式卡瓦断裂过程的有限元分析[J]. 刘汝福,吴晋霞. 石油机械. 2010(05)
[5]利用MTS引伸计在国产试验机上进行金属材料泊松比测定[J]. 张利民,席稳峰,蒙秦渝. 实验室研究与探索. 2007(11)
[6]基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析[J]. 胡建军,许洪斌,金艳,陈元芳. 锻压技术. 2007(03)
[7]几种金属材料宏观断裂形式的试验研究[J]. 汤安民,师俊平. 应用力学学报. 2004(03)
本文编号：2909684
【文章来源】：应用力学学报. 2020年04期 第1641-1648+1866页 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
卡瓦一次断裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料参数确定
?2金属断裂损伤理论基础2.1损伤演化在ABAQUS中的损伤演化类型分为位移和能量，分别从破坏时的位移和断裂能的角度求损伤的演化[12]。对于位移求损伤变量，其采用类似脆塑性模型的方法；对于能量方法，通过断裂所需的能量求出损伤变量。ABAQUS中的损伤演化是从损伤萌生开始算起的，表现为材料刚度的降低。默认损伤萌生之前损伤因子为0，材料断裂时损伤因子为1。它描述了材料损伤时的特征应力-应变行为。在各向同性硬化弹塑性材料中，损伤表现为屈服应力软化和弹性退化两种形式。图1中实线为损伤应力-应变响应，虚线为无损伤时的响应。图1损伤逐步退化的应力-应变曲线Fig.1Stress-straincurvewithprogressivedamagedegradation图1中y0和pl0为损伤开始时的屈服应力和等效塑性应变，plf为破坏时的等效塑性应变；D表示材料屈服之后线性应力与实际应力的差值，即当整体损伤变量达到D=1时，整体损伤变量D由单个损害变量id累积而成。plf的值取决于单元的特征长度；损伤演化规律用等效塑性位移plu和断能fG表示。ABAQUS中包括延性金属损伤、服从Traction-Separation法则的损伤、纤维增强复合物的损伤、弹性体损伤。对于延性金属损伤，剪切损伤模型用于预测剪切带局部化引起的损伤，FLD、FLSD、MSFLD、M-K损伤都是用于预测金属薄片成型引起的损伤。延性损伤和Johnson-Cook损伤都是一类模型，预测由于延性金属内部空隙成核、成长、集结引起的损伤。模型假定损伤发生时的等效塑性应变是三轴应力和应变率的函数。该延性准则由Mises、Johnson-Cook、Hill、Drucker-Prager塑性模
整体式卡瓦的失效形式在油田勘探和开发中，桥塞作为一种井下封堵工具，广泛用于对油水井分层压裂、分层酸化、分层试油施工时封堵下部井段。图2为适用于内径114.3mm套管的桥塞结构示意图，桥塞内部的整体式卡瓦在桥塞坐封过程中断裂张开与套管内壁咬合，桥塞坐封完成后，卡瓦起到支撑桥塞、锁定胶筒的作用。图2桥塞结构示意图Fig.2Bridgeplugschematicdiagram卡瓦与套管的锚定效果是桥塞坐封成败的关键，但由于一些其它不可预知因素(如工具坐封力以及卡瓦断裂形式)，可能导致桥塞坐封失败。如图3所示，下卡瓦在桥塞坐封时发生C字形断裂，卡瓦锚定套管后，C字形开口两侧的卡瓦齿与套管咬痕较深，在轴向载荷作用下，卡瓦在套管出现偏心状态。因此，造成沿断裂面两边的卡瓦本体集中受力，导致卡瓦前端被撕裂，桥塞坐封失败。图3卡瓦失效形式Fig.3Failuremodeofintegralslip3.2整体式卡瓦数值模拟分析卡瓦的断裂形式对其与套管的锚定效果有极大的影响，图3中卡瓦的断裂方式并不理想，但如果能通过仿真模拟还原卡瓦的断裂过程，对后续卡瓦结构改进能否达到理想的断裂状态，这种研究方法可以节约实验成本。因此，建立了整体式卡瓦一次断裂有限元分析模型，如图4所示，本次分析以下卡瓦为研究对象，为简化分析模型，仅保留与下卡瓦相接触的锥体和隔环两个部件参与分析。图4卡瓦一次断裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料参数确定卡瓦内受锥体挤压后，沿应力槽裂开，其断裂形式可理解为拉伸破坏，另外在卡瓦坐封后的承压阶段卡瓦处于轴向拉伸状态，其失效形式也是拉伸破坏。为得到准确的有限元分析结果，因此进行了材料单轴拉伸实验，以
【参考文献】：
期刊论文
[1]可降解桥塞坐封过程卡瓦力学分析[J]. 王林,平恩顺,李楠,黄其,孙明辉. 石油机械. 2017(12)
[2]整体式卡瓦断裂压力的试验研究[J]. 刘景超,王晓,马认琦,董健,李清涛,王世强. 钻采工艺. 2016(04)
[3]金属材料脆性断裂机理的实验研究[J]. 李智慧,师俊平,汤安民. 应用力学学报. 2012(01)
[4]整体式卡瓦断裂过程的有限元分析[J]. 刘汝福,吴晋霞. 石油机械. 2010(05)
[5]利用MTS引伸计在国产试验机上进行金属材料泊松比测定[J]. 张利民,席稳峰,蒙秦渝. 实验室研究与探索. 2007(11)
[6]基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析[J]. 胡建军,许洪斌,金艳,陈元芳. 锻压技术. 2007(03)
[7]几种金属材料宏观断裂形式的试验研究[J]. 汤安民,师俊平. 应用力学学报. 2004(03)
本文编号：2909684
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