随着石油、天然气需求的不断增加,世界油气资源开发的逐步深入。对薄储层和非 常规油气资源、页岩油气等的幵采越来越多,开采难度变得越来越大。在幵采过程中, 由于封隔器密封系统结构不合理、胶筒锚定能力差、容易滑动,尤其是密封元件失效、 封隔器两端胶筒被挤出。封隔器密封失效给幵釆作业带来了极大的危害,如不能有效防 止胶简肩部突出一系列失效问题,这些不仅增加了总开采时间,还会造成昂贵井下工具 丧失工作性能,并可能引发工程事故,甚至使油井报废,从而给油公司和服务公司造成 极大经济损失。因此,必须釆取措施减轻乃至消除封隔器失效的危害,而在封隔器胶筒 之间安装软金属紫铜护肩是减少封隔器失效最有效的措施之一。 本文在现有压裂封隔器的基础上,研究了分段压裂封隔器的工作原理,并对其进行 了结构设计,基于接触非线性理论,利用ABAQUS有限元分析软件,建立了压裂封隔 器上筒、锁套、下缸筒三维有限元模型,提出了基于缸体设计的结构优化方法,分析 了缸体内壁过渡台阶、液压受力面积、密封圈两端的距离结构参数对封隔器上缸筒、锁 套、下缸筒工作性能的影响。 以压裂封隔器密封胶筒为研究对象,基于橡胶Yeoh模型理论,拟合了 150度下胶 筒的本构关系曲线,分析了密封性能的影响因素,建立了轴对称非线性接触模型,提出 了基于封隔器胶筒设计的结构优化方法,分析了坐封压力、软金属护肩厚度、套管壁厚 对压裂封隔器密封系统的影响。根据压裂工况要求,基于金属损伤理论,建立了三维剪 切销钉有限元模型,对投球滑套所需剪切销钉进行模拟计算,对不同幵启压力对投球滑 套剪切销钉力学性能的影响进行了初步探索。 本文开展对压裂工具封隔器■投球滑套工具数值仿真的工作,对于指导压裂封隔器 与投球滑套的设计,推动压裂工具失效预防具有重要意义。 关键词:完井;分段压裂;封隔器;投球滑套;接触压力 I Abstract The increasing oil and gas demand,the world’s oil and gas resource development gradually deepened. The exploitation of unconventional oil and gas resources,such as shale oil and gas,more and more exploiting becomes increasingly difficult In the exploiting process,the packer sealing system structure is irrational,cones anchor bad ability is easy to slip,especially sealing component failure,packer cones being squeezed on both sides . Packer sealing failure to exploiting process brought great harm,if not effectively prevent the failure of a series of cones protruding shoulder problem,which not only increases the total exploiting time,also will result in the loss of expensive downhole tool performance and engineering accident caused even scrapped so well,result in great economic losses to the oil companies. Therefore,measures must be taken to reduce or even eliminate the packer failure, and between the packer installing soft metal copper cones Shoulders to reduce packer failure is one of the most effective measures. Based on the existing fracturing packer and the study of staged fracturing packer,and its structural design, based on contact nonlinear theory,use of ABAQUS finite element analysis software,to establish fracturing packer cylinder, lock sets, the next cylinder dimensional finite element model was proposed structural optimization method based on the design of the cylinder,the cylinder wall transitional step analysis,hydraulic force area,from both sides of the ring structure parameters packer on the cylinder,the locking sleeve,the performance of the cylinder barrel. In fracturing packer tube sealing for the study, based on rubber Yeoh model theory,the constitutive relation curve fitting 150 ° under cones,and analyses the influencing factors sealing performance , the establishment of a nonlinear axisymmetric contact model,proposed structural optimization method based on packer rubber tube designed to analyse the packer pressure,soft metal shoulder thickness,the impact of the casing thickness of the fracturing packer sealing system . According fracturing conditions required 5 based on the metal damage theory,a 3D finite element model of the shear pins,shear pins needed for sleeve to simulate and calculate the impact of different open pressure on the sleeve mechanical properties of shear pins conducted a preliminary exploration. This paper carried out on Packer - sleeve work numerical simulation tools for guiding packer and sleeve design,promoting fracturing tool failure prevention is important. Keywords: well completion; multistage fracture; packer; sleeve; contact pressure 目录 第1章绪论 1 1.1问题的提出及目的意义 1 1.2国内外现状及发展趋势 1 1.2.1封隔器的发展 1 1.2.2封隔器失效现状 3 1.2.3封隔器面临的技术问题 3 1.3本报告研究内容及技术路线 4 1.3.1本报告研究内容 4 1.3.2本报告技术路线 4 第2章封隔器概述及工作特性分析 6 2.1封隔器的结构及性能特点 6 2.1.1封隔器功能与分类 : 6 2.1.2封隔器型号编制 7 2.1.3封隔器使用中的问题 8 2.1.4封隔器失效分析 9 2.2压缩式封隔器 10 2.2.1压缩式胶筒防突机理 10 2.2.2软金属防突件 11 2.3封隔器密封元件受力研究 12 2.3.1无防突结构的压缩式密封元件受力分析 ....12 2.3.2有防突结构的压缩式密封元件受力分析 15 2.4本章小结 16 第3章封隔器主要部件有限元分析与实验研究 17 3.1封隔器三维实体模型的建立 17 3.2封隔器零部件安全校核 18 3.2.1封隔器主体外径计算分析 19 3.2.2封隔器缸体与锁套计算分析 19 3.3封隔器部分零部件有限元分析研究 20 3.3.1封隔器上缸筒有限元分析及结构优化 20 3.3.2封隔器锁套有限元分析及结构优化 22 3.3.3封隔器下缸筒有限元分析及结构优化 24 I 3.4软金属紫铜护肩拉伸实验 26 3.4.1实验目的与仪器设备 26 3.4.2实验原理与试件尺寸 27 3.4.3实验步骤与数据结果处理 29 3.5本章小结 30 第4章套管完井封隔器密封系统有限元研究 32 4.1橡胶非线性有限元理论基础 32 4.1.1橡胶的材料非线性理论 32 4.1.2橡胶的几何非线性理论 35 4.1.3稼胶的接触非线性理论 36 4.2数值模型及网格划分 38 4.2.1数值模型和边界条件 38 4.2.2网格划分 40 4.3 Y340-T3紫铜护肩厚度参数对封隔系统的影响规律 41 4.3.1不同坐封压力下封隔系统的接触压力 42 4.3.2不同坐封压力下封隔系统的压缩距与密封长度 45 4.4 Y340封隔系统作用139.7mm不同壁厚套管力学分析 46 4.4.1 壁厚 9.17mm 套管 47 4.4.2 壁厚 7.72mm 套管 50 4.5实物加工调整 53 4.6本章小结 56 第5章温度对封隔器橡胶密封系统影响规律 59 5.1高温下橡胶材料的本构关系 59 5.2胶筒在同硬度不同温度对封隔器密封性能的影响规律 62 5.2.1封隔器在阶梯坐封下对密封性能的影响 63 5.2.2封.隔器在稳压下对密封性能的影响 66 5.3胶筒在同温度不同硬度下对封隔器密封性能的影响规律 69 5.3.1封隔器在阶梯坐封下对密封性能的影响 69 5.3.2封隔器在稳压下对密封性能的影响 72 5.4本章小结 74 第6章投球滑套剪切销钉数值分析 75 6.1投球滑套工作原理 75 6.2投球滑套三维实体模型的建立 75 II 6.3投球滑套剪断销钉理论基础 77 6.3.1剪断销钉的设计 77 6.3.2有限元金属损伤模型 77 6.3.3剪切销钉黄铜拉伸试验 80 6.4投球滑套剪切销灯数值分析 82 6.4.1计算模型建立 82 6.4.2数值分析结果分析 84 6.4.3数值分析与试验结果对比 86 6.5本章小结 87 第7章结论与展望 88 7.1 88 7.2展望 89 gC ii 90