基于分层抽水试验的封隔器结构优化设计

论文摘要

目前,随着国家基础地质调查的大力开展,封隔器越来越多地被用到分层抽水试验中去。经过一段时间的改进和完善,已能够完成单井几层到几十层的抽水试验,钻孔利用率大幅提高,获得的水文地质参数精度更高,不过依然存在胶筒易损坏、密封性能差、膨胀率低等问题。本文通过结构设计、理论计算和数值模拟方法对封隔器的结构进行了优化设计。结构设计以水环中心的充气膨胀封隔器为基础,增加保护套和双级密封单元。理论分析包括坐封压力计算和坐封过程分析。根据实际工作环境和氮气用量计算坐封所需压力;坐封过程分为接触井壁前和接触后两个阶段,坐封前由于橡胶材料的几何材料非线性特征,应力应变关系不能用弹性力学分析,因此采用三参数的Yeoh超弹性橡胶本构模型,结合有限元分析胶筒变形特性;接触后阶段由于变形量小,采用经典力学,通过受力分析推导坐封条件公式。数值模拟部分简化了胶筒模型,由于封隔器的轴对称结构,仅对四分之一弧段进行模拟。通过ANSYSworkbench的静力学模块分别对不同胶筒长度、厚度、摩擦系数、内压及结构进行模拟,坐封效果分析以胶筒表面接触压力为标准,以接触面变形量为辅。用于模拟的封隔器模型为:胶筒长度300mm、400mm、500mm;胶筒总厚度14mm、16mm、18mm;双层胶筒间摩擦系数0.5、0.6、0.7;给定内压5MPa、10MPa、15MPa、20MPa以及单双级密封单元的封隔器。优化得到胶筒长度500mm,胶筒总厚度16mm,双层胶筒间摩擦系数0.5,内压10MPa的具有双级封隔单元的封隔器坐封效果最好,坐封接触压力均值为8.0298MPa,比单级胶筒大0.03MPa,接触面径向滑动总距离2.824mm,比单级胶筒多0.429mm。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 背景及目的意义
•     1.1.1 背景
•     1.1.2 目的意义
•   1.2 国外研究现状
•     1.2.1 发展历程
•     1.2.2 研究现状
•   1.3 国内研究现状
•     1.3.1 发展历程
•     1.3.2 研究现状
•   1.4 存在问题
•     1.4.1 石油用封隔器
•     1.4.2 地质调查用封隔器
•   1.5 研究内容和技术路线
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 技术路线
• 第二章 分层抽水试验工艺研究
•   2.1 传统分层抽水试验
•   2.2 应用封隔器的分层抽水试验
•     2.2.1 充气膨胀封隔器
•     2.2.2 新型分层抽水试验方法
• 第三章 封隔器结构设计与胶筒变形分析
•   3.1 封隔器结构设计
•     3.1.1 橡胶材料的特性
•     3.1.2 结构设计
•   3.2 内压作用下胶筒的的变形分析
•     3.2.1 胶筒结构简化
•     3.2.2 坐封所需压力计算
•     3.2.3 胶筒结构变形分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 封隔器胶筒有限元模拟与结构优化
•   4.1 胶筒有限元模拟方法
•   4.2 气体压强及双胶筒接触关系的有限元模拟
•     4.2.1 不同气体压强下的胶筒膨胀有限元分析
•     4.2.2 胶筒接触摩擦系数影响分析
•   4.3 胶筒尺寸对接触压力的影响
•     4.3.1 胶筒长度的影响
•     4.3.2 胶筒总厚度对接触压力的影响
•   4.4 双级密封单元的影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李波

导师: 李国民,蒋秋革

关键词: 封隔器,坐封,胶筒,接触压力

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P641.7

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001325

总页数: 64

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