Y422-114可取橋塞卡瓦錨爪的力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)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(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用十分普遍的技術(shù)。但國外一般應(yīng)用在大于5寸半套管中，而大慶油田應(yīng)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(jié)構(gòu)性能要高于國外的同類產(chǎn)品。大慶油田在應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計，研究可取橋塞卡瓦錨爪和套管的應(yīng)力分布規(guī)律，并優(yōu)化出可取橋塞的最佳結(jié)構(gòu)。本文將基礎(chǔ)理論研究、實驗研究和應(yīng)用技術(shù)研究有機地結(jié)合起來，建立了一種優(yōu)化可取橋塞的新設(shè)計方法，這對完善可取橋塞的設(shè)計水平、促進相關(guān)學(xué)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(xué)、計算力學(xué)等多種學(xué)科，是材料非線性、接觸非線性和瞬態(tài)動力學(xué)多重耦合的問題。本文通過力學(xué)分析，建立了可取橋塞的力學(xué)模型及有限元模型。運用動量定理和動力學(xué)原理建立了可取橋塞在有限變形范圍內(nèi)的守恒方程和瞬態(tài)動力學(xué)平衡方程。并且以應(yīng)變增量為基礎(chǔ)建立了彈塑性的應(yīng)變增量—應(yīng)力關(guān)系。根據(jù)可取橋塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動條件推導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(xué)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(shè)計奠定了基礎(chǔ)。在卡瓦錨爪的優(yōu)化設(shè)計中，首先確定了卡瓦錨爪每個相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時，目標參量的變化規(guī)律；然后比較每個結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)目標參量，如卡瓦和套

5、管的當(dāng)量摩擦系數(shù)、最大VonMises應(yīng)力、接觸徑向壓力等，找出每個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)組合。這為優(yōu)化可取橋塞及類似的設(shè)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(jié)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(yīng)力分析技術(shù)來進行必要的驗證。為了提高計算結(jié)果的可靠性，本文采用光彈性實驗?zāi)M橋塞構(gòu)件模型。