Y211型封隔器胶筒及卡瓦的有限元分析

孙金绢，田建辉，瞿金秀，陈 龙

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

封隔器是一种广泛应用于井下作业的工具，其密封效果是通过密封元件受到压缩后膨胀来实现的[1]。为了提高采油效率，在开采油田时经常将封隔器或其他井下工具连接到油管柱上组成井下工艺管柱，通过封隔器对油层进行分层，然后利用工艺管柱上的其他工具控制产层，从而满足油田开采的需求。随着我国油田开采规模的扩大，油井深度不断增加，部分地区水质不好，井下工作环境越来越复杂，封隔器在井下作业中拥有不可替代的作用，一旦封隔器失效，采油效率将会大幅下降，相关研究表明因封隔器问题导致工艺管柱失效的次数达到总失效次数的1/5[2-3]。目前封隔器在使用过程中，解封和井下工具的取出均存在一定的困难，这是亟待改进的地方[4]。在计算机科学技术快速发展的今天，运用现代设计方法和数值模拟软件来研发更加可靠的高性能封隔器已经成为主流研究方法[5-6]。Y211型封隔器是一种单向卡瓦固定的压缩式封隔器，在工作时通过提放管柱来实现坐封和解封。胶筒是封隔器实现密封管柱和对油井分层的关键部件，其结构参数和机械性能对封隔器的可靠性有着较大的影响。胶筒在封隔器承受轴向载荷时会受压变形使套管之间产生接触压力，从而在封隔油管与套管间形成环形空间，以满足隔绝产层及保护套管等要求[7-19]。因此在实际使用过程中，密封元件的失效是封隔器失效的重要原因，为了研究封隔器密封性能需要对不同坐封载荷下胶筒变形及接触应力的变化进行分析。Y211型封隔器在工作时需要依靠卡瓦进行固定，坐封时卡瓦撑开并与套管咬合，卡瓦作为封隔器的关键零部件之一，其强度和寿命对于封隔器的性能有着重要的影响，一旦卡瓦失效，封隔器也会失效。因此文中基于ANSYS软件对胶筒和卡瓦进行有限元分析，研究不同影响因素下的变形位移及受力情况。

1 有限元分析过程

1.1 胶筒的有限元分析

对胶筒进行有限元分析，首先将胶筒三维模型进行简化，去除倒角和圆角等特征后，将胶筒、挡环以及膨胀环进行装配，然后导入ANSYS软件的Workbench模块中，进行网格划分，得到有限元模型，如图1所示。在胶筒分析模型中，上下两个膨胀环的材料采用硅锰(60Si2Mn)弹簧钢，胶筒中间挡环的材料采用45钢，胶筒主要由超弹性橡胶材料制成，在受到压缩时会发生非线性形变，而且变形很大，在分析时需要进行大变形设置，有多种本构方程可以模拟橡胶材料的受力和变形，其中Mooney-Rivilin模型可以较好模拟橡胶材料的受力情况[8]。封隔器工作时，下膨胀环固定，上膨胀环施加密封压力，使封隔器胶筒径向膨胀，随着密封压力的增加，封隔器元件与套管逐渐接触。当压力达到一定值时，达到密封状态，从而使油管与套管之间形成密封。因此，需要给下膨胀环的下端面添加约束。为了模拟封隔器胶筒受到压缩后的应力和变形情况，在分析过程中对胶筒上膨胀环施加不同的载荷，从而得到不同载荷下胶筒的应力和应变值分布。

1.2 卡瓦的有限元分析

卡瓦的结构较为复杂，在将其三维模型导入ANSYS软件之前需要对模型进行适当简化，由于所设计的4个分瓣式卡瓦完全一致，只需分析一个卡瓦的受力及位移情况即可。划分网格后得到有限元模型如图2所示。

为了便于查看内部网格已将其剖开显示。卡瓦有限元模型中共有4个零件，中心管和套管的材料为35CrMo，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.300。锥体的材料设为45钢，弹性模量为2.10×105MPa，泊松比为0.269。卡瓦的材料设为40Cr，弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.277。在封隔器工作时，套管可视为不可移动，锥体与中心管装配只能沿着中心管进行轴向移动，卡瓦由于有卡瓦座和箍簧，因此在其下底面添加约束，使其在锥体下移的过程中只能进行径向移动。卡瓦的受力主要来自锥体，因此在锥体上方施加载荷。

2 结果和讨论

2.1 胶筒计算结果及分析

为了研究封隔器密封性能对胶筒影响，现分别施加载荷为10,20,30,40,50,60 kN，得到胶筒应力分布云图如图3所示。胶筒对应的最大应力值分别为5.80,12.59,19.99,28.16,36.96,46.93 MPa。将不同载荷下的胶筒最大应力值进行统计对比，得到其变化曲线如图4所示。

由图3～4可以观察到胶筒的最大接触应力随着施加载荷的增大而增大；在3个胶筒中，上胶筒所受的接触应力最大；每个胶筒的最大应力都出现在胶筒与金属材料零件接触的端面附近。

施加不同载荷后得到胶筒变形云图如图5所示，由图5可得胶筒最大变形量分别为8.85,16.73,23.97,30.68,36.98,43.05 mm，将不同载荷下的胶筒最大变形量进行统计对比，得到其变化曲线如图6所示。由图5～6可以观察到封隔器受到不同大小的载荷时，胶筒的变形量较大，而其他零件如挡环及膨胀环的变形量较小，这体现了胶筒橡胶材料的弹性力学特性，因此选用Mooney-Rivilin模型来模拟胶筒压缩过程以及在分析时所采用大变形设置是合理的。

图6 胶筒最大变形量的变化曲线

由图5胶筒变形云图可以观察到3个胶筒的变形量自上而下依次递减，胶筒的最大变形量都位于胶筒靠近上端面与其他零件的接触位置附近，而3个胶筒中，上胶筒的变形量最大，且在其上端面与上膨胀环接触的上端面附近位置达到了最大值。

所以在设计封隔器结构时，可以在胶筒两端设计保护装置即膨胀环和挡环，当封隔器工作时，坐封载荷将会自上而下施加在弹簧钢制成的膨胀环上，从而对提高胶筒密封性能和延长使用寿命有较好的效果。

2.2 卡瓦计算结果及分析

封隔器在工作时需要依靠卡瓦进行固定，坐封时卡瓦撑开并与套管咬合，为了得到卡瓦的受力规律，现施加不同程度的坐封力进行有限元分析，载荷大小分别为5,10,15,20,25 kN，得到卡瓦位移云图如图7所示，卡瓦对应的最大位移量分别为0.019,0.022,0.027,0.037,0.047 mm。将不同载荷下的卡瓦最大位移量进行统计对比，得到其变化曲线如图8所示。由图7～8可知，随着载荷的增大，卡瓦的位移量不断增大；在锥体下移的过程中卡瓦上各齿之间位移大小各不相同，由上往下位移量依次减小，即最大位移出现在最顶部的齿上。

图7 卡瓦位移云图

图8 卡瓦最大位移曲线

不同的载荷下卡瓦的接触应力云图如图9所示，卡瓦最大应力分别为117.07,128.13,150.49,197.52,248.48 MPa。将不同载荷下的卡瓦最大应力进行统计对比，得到其变化曲线如图10所示。由图9～10可知，随着载荷的增大，卡瓦所受到的应力值不断增大；卡瓦上各齿受力并不均匀，大小各不相同，从上到下依次减小，最大应力值出现在最顶部的齿上；卡瓦所受到的最大接触应力为248.48 MPa，小于40Cr材料的屈服强度极限785 MPa，经校核卡瓦强度合格。文中所设计的卡瓦为单向分瓣式卡瓦，相比于双向卡瓦结构紧凑，在封隔器工作时锥体受到轴向载荷向下移动，锥面的设计使得卡瓦撑开进而与套管接触咬合使得封隔器固定，因此首先进行咬合的必然是最上端的齿，并且受力是最大的，同时其轴向位移也最大，与本次分析的结果相吻合。

基于ANSYS软件对Y211型封隔器的密封元件胶筒和固定元件卡瓦进行了有限元分析，得到了胶筒在不同载荷下的应力和变形量分布以及卡瓦与套管接触时的应力值和位移量变化规律，对提高胶筒密封性能和延长使用寿命及保持卡瓦有效性从而提高封隔器的可靠性具有一定的指导作用。

图9 卡瓦应力云图

图10 卡瓦最大应力曲线

3 结 论

文中对Y211型封隔器的密封元件胶筒和卡瓦进行了有限元分析，研究了不同因素对其变形、位移及受力情况的影响，得到结论为

1) 胶筒最大接触应力的值随着施加载荷的增加而增大；在3个胶筒中，上胶筒所受的接触应力最大；每个胶筒的最大应力都出现在胶筒与金属材料零件接触的端面附近。

2) 不同载荷下，胶筒的变形量较大，而其他零件变形量较小，这符合胶筒橡胶材料的弹性力学特性，胶筒的变形量自上而下依次递减，上胶筒的变形量最大，胶筒的最大变形量都位于胶筒靠近上端面与其他零件的接触位置附近。设计封隔器结构时，可以在胶筒两端设计膨胀环和挡环等保护装置，防止坐封载荷直接施加在橡胶胶筒上，以提升胶筒密封性能和延长使用寿命。

3) 卡瓦的位移量随载荷的增加而增大，在锥体下移的过程中卡瓦上各齿之间位移大小各不相同，由上往下位移量依次减小，即最大位移出现在最顶部的齿上。

4) 卡瓦所受到的应力值随载荷增加而增大，卡瓦上各齿受力并不均匀，从上到下依次减小，最大应力值出现在最顶部的齿上，卡瓦所受最大接触应力小于40Cr材料的屈服强度极限，其强度合格。