Y422-114可取橋塞卡瓦錨爪的力學分析及優(yōu)化設計.pdf

1、大慶油田進入特高含水期開發(fā)后，儲采失衡的矛盾日益突出。由于所開采的薄差油層滲透率低，降低了油田采收率，要有效動用此類儲層的儲量，壓裂改造是最有效的手段之一。針對薄差層油層分散且層間跨距大的特點，橋塞壓裂技術已經(jīng)成為應用十分普遍的技術。但國外一般應用在大于5寸半套管中，而大慶油田應用在5寸半套管中，由于需要壓裂多層，且空間有限，所以橋塞的結構性能要高于國外的同類產品。大慶油田在應用橋塞壓裂過程中，存在橋塞坐封不穩(wěn)、卡瓦錨爪易損壞及套管受損

2、嚴重等問題。這些問題發(fā)生的主要原因是卡瓦錨爪的結構設計不盡合理，又隨著開采深度的不斷增加，橋塞的耐溫、耐壓等性能需要相應的提高，那么對卡瓦錨爪的性能也提出了更高的要求。因此迫切需要對可取橋塞卡瓦錨爪進行力學分析及優(yōu)化設計，研究可取橋塞卡瓦錨爪和套管的應力分布規(guī)律，并優(yōu)化出可取橋塞的最佳結構。本文將基礎理論研究、實驗研究和應用技術研究有機地結合起來，建立了一種優(yōu)化可取橋塞的新設計方法，這對完善可取橋塞的設計水平、促進相關學科發(fā)展具有一定的

3、理論意義。 本文涉及采油機械、固體力學、計算力學等多種學科，是材料非線性、接觸非線性和瞬態(tài)動力學多重耦合的問題。本文通過力學分析，建立了可取橋塞的力學模型及有限元模型。運用動量定理和動力學原理建立了可取橋塞在有限變形范圍內的守恒方程和瞬態(tài)動力學平衡方程。并且以應變增量為基礎建立了彈塑性的應變增量—應力關系。根據(jù)可取橋塞的結構參數(shù)和運動條件推導了接觸界面不可侵徹度量方程，并根據(jù)變分原理和完全的Lagrange格式推導了平衡方程的弱

4、形式。采用增廣Lagrange乘子法建立可取橋塞卡瓦與套管的界面動量方程。采用有限元方法，運用載荷增量法、增廣Lagrange乘子法、Newmark法計算可取橋塞設備在多重耦合情況下的受力和變形狀態(tài)。 通過實驗研究和力學分析，研究了卡瓦與套管的受力狀況及咬合力分布規(guī)律，為卡瓦錨爪的優(yōu)化設計奠定了基礎。在卡瓦錨爪的優(yōu)化設計中，首先確定了卡瓦錨爪每個相關結構參數(shù)變化時，目標參量的變化規(guī)律；然后比較每個結構參數(shù)對應目標參量，如卡瓦和套

5、管的當量摩擦系數(shù)、最大VonMises應力、接觸徑向壓力等，找出每個結構參數(shù)較好的水平；最后把較好水平進行組合，確定出卡瓦錨爪的最優(yōu)結構參數(shù)組合。這為優(yōu)化可取橋塞及類似的設備提供了新的思路、新的方法。 雖然數(shù)值計算方法的功能越來越強，計算結果的精度對于工程解也是可靠的，但是對于模型的建立以及邊界條件的確定，單靠數(shù)值計算是不夠的，還需要實驗應力分析技術來進行必要的驗證。為了提高計算結果的可靠性，本文采用光彈性實驗模擬橋塞構件模型。