深井封隔器用新型金属密封元件关键特性研究

论文摘要

封隔器是油田作业中使用的重要井下工具,其功能是封隔环空、隔离产层、控制注入和采出的流体,而实现这一功能的核心部件之一就是其密封元件。传统的封隔器以胶筒为其密封元件,随着油田开采趋向于深井,胶筒在伴有高温、高压和腐蚀的深井中会受到破坏,导致密封失效。而金属材料在深井工况下有较强的优势,所以,把金属密封技术引入到封隔器中是解决上述问题的新途径。此外,目前针对金属密封封隔器的研究尚且不深,因此,深入研究封隔器的金属密封技术对金属密封封隔器的发展以及油田的提效降本都具有重要的意义。主要研究内容与结论如下:（1）从微观角度出发,分析了封隔器密封元件的密封机理,同时针对QSA-114型号的封隔器工作原理进行了分析。发现金属密封面需产生一定的塑性变形来填补泄漏通道形成连续贴合的密封带,且密封面镀有软金属可以提高其密封能力。然后,结合密封元件的密封机理与功能特点,设计了一种新型的封隔器金属密封元件,并对其结构受力情况进行了分析。结果表明,密封元件的坐封力随拱形半径增大而增大。（2）对NiTi合金的本构模型进行了分析;根据试验数据在Workbench中建立了其材料库和标准拉伸试样的数值模型,通过对比仿真与试验的结果,验证了本构模型的可靠性与仿真建模方法的可行性,为后续的仿真分析提供了基础;（3）首先,通过几何模型简化,在Workbench中建立了密封组件的数值模型,经计算表明,设计的密封元件可以满足使用要求。然后,针对五种工况研究了密封元件的外压影响,同时提出引入内压以消除外压影响。发现外压使密封元件产生不同程度的畸变,导致不能密封,引入内压后,二者相互抵消影响,密封元件性能与无内外压时相仿。最后,采用单因素研究方法研究了密封元件的结构参数对其密封性能的影响。结果表明承压环高度几乎无影响,其它结构参数的影响都有规律可循,可以为密封元件的设计提供参考,尤其要着重考虑拱形半径和拱形厚度的影响。（4）首先,通过分析封隔器金属密封元件的工程应用背景及其应用要求,确定了优化目标及约束条件。其次,基于Workbench与Isight对密封元件的结构参数灵敏度进行了分析,并建立了联合仿真优化模型。优化得到了性能较优的密封元件,其中4个密封元件较优化前性能提升明显。然后,对坐封与解封过程中密封元件的特性进行了研究,发现4个密封元件在该过程中均有不同程度的抖动,但8号抖动较小,性能更佳。最后对密封元件可能出现的失效情况及原因进行了分析,给出了措施和建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与研究意义
•   1.2 封隔器密封研究现状
•     1.2.1 封隔器传统密封研究现状
•     1.2.2 金属密封研究现状
•     1.2.3 封隔器金属密封研究现状
•   1.3 NiTi合金研究现状
•   1.4 本文研究内容
• 第2章 封隔器密封元件设计及密封机理研究
•   2.1 封隔器密封元件密封机理分析
•     2.1.1 封隔器胶筒密封机理
•     2.1.2 封隔器金属密封元件密封机理
•   2.2 封隔器金属密封元件设计
•     2.2.1 封隔器工作原理
•     2.2.2 封隔器金属密封元件结构设计
•     2.2.3 密封元件的受力分析
•   2.3 本章小结
• 第3章 封隔器金属密封元件密封性能研究
•   3.1 NiTi合金本构模型
•     3.1.1 NiTi合金的相变
•     3.1.2 模型离散
•   3.2 本构模型验证
•     3.2.1 材料力学性能试验
•     3.2.2 仿真模拟
•     3.2.3 结果处理与分析
•   3.3 数值模型建立
•     3.3.1 几何模型简化
•     3.3.2 材料属性与网格划分
•     3.3.3 边界条件设置与加载求解
•   3.4 外压对模型影响及消除方法研究
•     3.4.1 外压影响分析
•     3.4.2 引入内压
•     3.4.3 结果对比与分析
•   3.5 密封元件密封性能研究
•     3.5.1 密封元件应力研究
•     3.5.2 密封元件坐封力研究
•     3.5.3 密封元件接触应力研究
•     3.5.4 结果分析与讨论
•   3.6 本章小结
• 第4章 封隔器金属密封元件的工程应用与优化
•   4.1 工程应用背景及要求
•     4.1.1 工程应用背景
•     4.1.2 工程应用要求
•   4.2 Workbench与 Isight联合仿真优化
•     4.2.1 Isight及其功能
•     4.2.2 多目标优化
•     4.2.3 密封元件参数的灵敏度分析
•     4.2.4 密封元件结构参数优化模型
•     4.2.5 优化结果分析与讨论
•   4.3 工程应用及失效分析
•     4.3.1 工程应用分析
•     4.3.2 工程应用中的失效分析及措施
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 研究总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张同善

导师: 李纯金

关键词: 金属密封,密封性能,接触应力,封隔器,优化设计

来源: 江苏科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 石油天然气工业

单位: 江苏科技大学

分类号: TE931.2

总页数: 81

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