探究封隔器和桥塞作业时的受力情况

2014-09-22张顺

中国新技术新产品 2014年15期

张顺

（江汉井下测试公司塔里木分公司测试项目部，新疆轮台 841600 ）

一﹑前言

封隔器是一种密封弹性元件，用来封隔管柱和井眼以及管柱之间的空间，产生封隔层，用来控制石油等产液对套管的作用力，保护套管不受到损坏。在石油开采的过程中，封隔器的主要作用是用来分层，封隔器上面设有采油通道。桥塞是作用是油气井封层，通过管柱将桥塞运送到指定位置，通过坐封工具或者火药爆炸产生的压力和拉力分别作用于上卡瓦和张力棒，当拉力达到一定值时，张力棒就会断裂，坐封工具和桥塞就会脱离，这时候，桥塞中的上下卡瓦破碎镶嵌在套管内壁上，实现坐封。

二﹑封隔器作业时的受力情况

封隔器的受力状况比较复杂，所以，我们需要建立一个模型来分解其受力情况，逐步解答。在现有研究封隔器受力的基础上，建立科学的管柱模型，充分考虑摩擦力﹑内外压差产生的压力﹑井眼弯曲和倾斜角度等因素，建立起主水管在井眼中受到各种作用力的效果模型，同时，封隔器的固定又需要其他的锚固工具和长度补偿工具等的支撑，这些因素也在一定程度上影响着封隔器的受力，所以，在建立模型时，要充分考虑各类因素对封隔器的作用，建立更接近于真是受力情况的模型。根据注水作业的实际操作，我们建立了以下两个模型。

1 基于实测井眼轨迹三维曲井中注入管柱轴向载荷力学模型。

轴向载荷分析是管柱力学分析中的重要内容，三维曲井的井眼情况较为复杂，管柱的轴向荷载包括管道的竖向摩擦，管柱的重力效应，液体浮力，液体与管柱间的粘滞力和管柱弯曲分解产生的轴向力组合而成，在充分考虑各类作用力对管柱的轴向作用后，建立了管柱轴向模型，能够合理科学的表达各个力对管柱的具体作用情况和造成的影响，使得技术人员能够更加清楚的掌握每一个力的分别作用情况。建立模型最重要的是对实际设备进行合理的假设，这个模型进行的假设有：井壁和管柱之间为刚性作用，并且完全接触，管柱和井眼轴线平行，管柱的重力﹑压力和摩擦力分布均匀，弯曲的管柱弯起弧度是等曲率圆弧，忽略下部的动荷载的影响。

经过力学模型分析得出，封隔器在井眼中的受力变化是空间弧形，管柱的有效轴应力是管柱的自身重力与管柱内外液体压力差之和减去摩擦力之差的结果。

2 温度场模型。

在水井还未注水投入使用前，管柱的温度基本与地层温度一致，但是注水以后，从地面流入的液体带有一定的温度，这就会打破地层原有的热平衡，管柱的温度会随着液体的不断注入不断地发生变化，与原来的温度场模型相比，现在的模型将注入液体所带来的温度差考虑在内，管柱在作业时的受力也会受到温度的影响，所以建立更加接近于实际情况的模型对分析封隔器工作时的受力更加准确。

三﹑桥塞作业时的受力情况

桥塞是用来进行油气井封层的工具，它的施工顺序少，周期短，卡封位置准确，我们平时所用的桥塞分为永久式桥塞和可取式桥塞两种，本文着重介绍永久式桥塞。Y443-108可钻式桥塞是通过管柱或者电缆投送的永久式桥塞，主要由密封机构和锁紧机构两大部分组成。根据桥塞投入使用的过程来分别描述桥塞的受力情况。首先要应用分析软件对可取桥塞模型进行静力学分析，确定套管的受力情况和应力分布和变化规律，然后利用三维光弹性实验对桥塞进行力学模型的受力分析，然后通过对比得出正确的受力状况分析。

首先进行可钻式桥塞的非线性理论分析。可钻式桥塞是连续的，需要计算出应力﹑第二应力和应变张量在实际情况下的真实应力，应力张量分为三类，由于P型应力张量并不是对称的，而真实情况下的应力是对称的，所以，应力张量的概念和计算方法并不适用于应力和应变关系，从而需要采用S型的应力张量来计算，利用质量守恒﹑线动量守恒﹑角度量守恒和能量守恒的原则得出相应的方程解释受力情况。此后，要将有限元离散化，建立离散化方程，充分考虑内部节点力和外部节点力的影响，建立质量矩阵，得到有效地离散元方程。非线性有限元分析可以分为材料非线性分析﹑几何非线性分析和接触非线性分析三种。对于非线性受力问题的解决，在现有的知识理论下并没有一个准确的解答方法，所以只能采取数值解法来分析。从数学角度解决非线性受力问题的分析可以通过偏微分方程的边值问题和初值问题进行求解，对于可钻式桥塞的非线性问题的计算，我们主要通过载荷增量法和纽顿-安普森方法结合运算，通过平衡方法得到近似解。

其次就是可钻式桥塞弹塑性理论分析。可钻式桥塞在受到较大压力的状态下，承受较大的外部荷载，当荷载较小时，桥塞表现为弹性，随着荷载的不断增大，桥塞进入塑性变形阶段。这时候，桥塞的变形是塑性变形，而在塑性变形阶段，应力和应变的关系是非线性的，这种非线性的变化不仅与材料有关，还与环境条件和加载的时间和速度有关。弹塑性的应力应变分析比弹性力学要复杂的多，对于可钻式桥塞来说，我们需要进行单轴应力下的弹塑性应力应变分析，但是这是建立在材料是均匀且连续的假设下，并且在变化后，塑性变形部分的体积变为零，同时忽略时间因素对于材料塑性的影响。在复杂应力状态下的塑性屈服准则包括屈雷斯加屈服准则和米塞斯屈服准则，在充分考虑流动法则和硬化条件的因素下，建立弹塑性本构关系和弹塑性矩阵。要想准确的确定每一个应力分量，需要对规定的应力值和荷载加载方向和弹塑性切线矩阵已知，应力可以通过积分求得，解决弹塑性问题的方法包括增量切线刚度法﹑增量初应力法和增量初应变法。