封隔器力学分析

于翀鹏

摘 要 封隔器是油田开发中实施机械采油、分层注水、分层压裂或酸化、机械卡堵水等注采工艺作业的主要井下重要工具。封隔器胶筒是封隔器结构组成和功能的关键性部件。本文主要对封隔器座封过程进行数值模拟计算，对胶筒与套管接触进行有限元分析计算，得出套管外部环向应力应变分布规律。为封隔器设计和应用提供现理论和实际参考意义。

关键词 封隔器 封隔器胶筒 有限元分析 接触应力分布

中图分类号：TE931.2 文献标识码：A

0引言

封隔器的工作原理是通过水力或机械作用，使胶皮筒在套管内环形空间鼓胀，把上下油层分开，达到分采分注的目的。由于密封元件胶筒属非线性材料，其理论研究较难，胶筒初封应力的理论公式主要用于定性分析，不能描述橡胶工作中的复杂力学行为。

本文应用ANSYS 等计算分析软件，根据套管尺寸，建立了相应的有限元计算模型，通过有限元分析得到了封隔器胶筒载荷与接触应力的关系、套管内外应力分布规律。

1封隔器有限元模型

套管的内径Ri=62.15mm，外径Ro=69.27mm。弹性模量E=210GPa，泊松比 =0.3，假设套管所受内压为10MPa。

在 ANSYS中建立了有限元计算模型。因为接触问题的计算过于复杂，为便于计算分析的顺利进行，在计算模型的建立过程中采取了如下几项措施：

（1）考虑到套管装置的对称性，计算模型只取轴向的一个平面进行处理。

（2）忽略整个过程中的摩擦力影响，只考虑径向内压。

（3）将套管按实际实验中的胶筒高度（61.31mm，51.31mm，61.31mm）建立，而且中间分别使用高度为12mm的隔环隔开。

（4）上下两端受到轴向方向的约束。

2有限元结果分析

图1显示，当三个胶筒对套管接触应力为11MPa时，套管的内壁环向应变最大为95.4MPa，外壁环向应力最大为83.6MPa。分别分布在三个胶筒对应的位置。隔环位置内壁为66.7MPa，内壁为43MPa。

图2显示，当三个胶筒对套管接触应力为5MPa时，套管的内壁环向应变最大为43.3MPa，外壁环向应力最大为38.1MPa。分别分布在三个胶筒对应的位置。隔环位置内壁为27.7MPa，内壁为19.9MPa。

图3显示，当三个胶筒对套管接触应力为17MPa时，套管的内壁环向应变最大为147.5MPa，外壁环向应力最大为129MPa。分别分布在三个胶筒对应的位置。隔环位置内壁为94MPa，内壁为67MPa。

图4显示，当三个胶筒对套管接触应力为23MPa时，套管的内壁环向应变最大为199MPa，外壁环向应力最大为175MPa。分别分布在三个胶筒对应的位置。隔环位置内壁为139MPa，内壁为92MPa。

3结论

（1）根据实际尺寸以及套筒的参数，利用ansys有限元分析软件建立了有限元模型。

（2）通对有限元模型加载分析得到了封隔器胶筒载荷与接触应力的关系、套管内外应力分布规律。

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