井下離心增壓牽引器橡膠封隔結(jié)構(gòu)研究

易 明，譚躍剛，劉明堯

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

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井下離心增壓牽引器橡膠封隔結(jié)構(gòu)研究

易 明，譚躍剛，劉明堯

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

井下離心增壓牽引器是一種通過增高井下流體壓力，并使用橡膠封隔結(jié)構(gòu)隔離高低壓，利用形成的壓差驅(qū)動(dòng)牽引器前進(jìn)的井下牽引器；橡膠封隔結(jié)構(gòu)是井下離心增壓牽引器的關(guān)鍵零件，由于橡膠封隔結(jié)構(gòu)對(duì)離心增壓牽引器的動(dòng)力性能有較大影響，使用ANSYS軟件對(duì)橡膠封隔結(jié)構(gòu)在受壓情況下的變形進(jìn)行了仿真，分析了不同厚度、材料硬度、初始接觸面積的仿真結(jié)果，得出了適用于離心增壓牽引器樣機(jī)橡膠封隔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

井下離心增壓牽引器 橡膠封隔結(jié)構(gòu) 仿真分析

0 引言

水平井在鉆井、測(cè)井、完井、生產(chǎn)等階段經(jīng)常需要下放儀器到井下進(jìn)行測(cè)井及修井等作業(yè)[1]，但儀器無法在水平段移動(dòng)，因此需要一種動(dòng)力設(shè)備帶動(dòng)其移動(dòng)，為解決這個(gè)問題，有人設(shè)計(jì)了一種靠電纜驅(qū)動(dòng)的井下拖拽系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠依靠自身動(dòng)力在水平段移動(dòng)，并拖動(dòng)儀器完成測(cè)井或修井作業(yè)，這個(gè)系統(tǒng)稱之為井下牽引器[2]。井下離心增壓牽引器是一種通過電機(jī)帶動(dòng)離心式增壓結(jié)構(gòu)增高井下流體壓力，并使用橡膠封隔結(jié)構(gòu)隔離高低壓區(qū)域，利用壓差推動(dòng)牽引器本體和下井儀器在水平井下移動(dòng)的井下牽引器。橡膠封隔結(jié)構(gòu)是離心增壓牽引器的關(guān)鍵部件，橡膠封隔結(jié)構(gòu)受到高壓液體沖擊而膨脹變形，緊貼套管內(nèi)壁，起到密封和隔離高低壓的作用，橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形會(huì)直接影響到密封和隔壓效果，進(jìn)而影響井下增壓器牽引器的動(dòng)力性能。為減小其影響，本文對(duì)橡膠封隔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究。目前，對(duì)橡膠件的仿真研究重點(diǎn)主要集中在橡膠件在受力情況下的變形和應(yīng)力分布，討論不同受力狀況對(duì)橡膠件的變形和應(yīng)力分布的影響，而對(duì)橡膠結(jié)構(gòu)及材料屬性造成的影響研究較少[3-4]。鑒于此，本文使用ANSYS軟件，對(duì)不同厚度、材料硬度、初始接觸面積的橡膠封隔結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真分析和結(jié)果對(duì)比，選取了適用于離心增壓牽引器樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 橡膠材料的本構(gòu)模型

橡膠材料具有大的彈性變形能力, 在橡膠小變形時(shí), 可認(rèn)為它的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系, 即可用單一的楊氏彈性模數(shù)來描述。對(duì)于大變形的橡膠，必須考慮非線性彈性材料的彈性特性，而簡(jiǎn)單的彈性模數(shù)已不再適用[5]。

為了準(zhǔn)確描述橡膠材料的非線性特性，必須研究如何用一個(gè)方程來描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，這個(gè)方程就稱之為橡膠材料的本構(gòu)模型。其中，Mooney-Rivlin本構(gòu)模型用起來簡(jiǎn)潔方便，而且有很高的準(zhǔn)確度，在對(duì)橡膠的應(yīng)變分析中應(yīng)用廣泛[6]：

(5)

其中：Cij為材料常數(shù)，I1，I2表示變形張量的不變量。

取其一階形式，令i=0，j=1和i=1，j=0，就可以得到2參數(shù)Mooney-Rivlin模型的本構(gòu)方程：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(6)

為了獲得材料常數(shù)C10和C01的值，常通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)、雙向均勻拉伸實(shí)驗(yàn)和等雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到相應(yīng)材料參數(shù)，也有通過實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算獲得材料常數(shù)的辦法，常用的計(jì)算公式如下[7]：

lgE=0.019 8Y-0.543 2

E=6(C10+C01)

(7)

C10=4C01

其中：E為橡膠材料的彈性模量；Y為橡膠硬度。這樣，只要知道了橡膠材料的硬度，即可得到相應(yīng)的材料常數(shù)，而在實(shí)際應(yīng)用中橡膠硬度比較容易測(cè)得，因此，本文采用這種方法來確定橡膠材料常數(shù)。ANSYS有限元分析軟件可以方便地求解材料非線性、幾何非線性和單元非線性問題，本文使用ANSYS對(duì)橡膠封隔結(jié)構(gòu)的受壓變形進(jìn)行研究。

2 橡膠封隔結(jié)構(gòu)有限元模型

離心增壓牽引器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，井下流體通過離心增壓器增壓從牽引器尾部流出，使得牽引器左邊流體壓力高于右邊，在壓力作用下，牽引器整體向右移動(dòng)，圖中箭頭為流體流動(dòng)方向。橡膠封隔結(jié)構(gòu)即圖1中4所示結(jié)構(gòu)，當(dāng)高壓液體從增壓器流出時(shí)橡膠封隔結(jié)構(gòu)受壓膨脹，起到隔斷高低壓之間流動(dòng)的作用。

為簡(jiǎn)化仿真分析，只建立橡膠封隔結(jié)構(gòu)和部分套管結(jié)構(gòu)模型，在Pro/E中建立模型如圖2所示。將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，由于是軸對(duì)稱模型，為方便計(jì)算和查看結(jié)果，可以選取1/4模型作為仿真對(duì)象，并取其橫截面作為對(duì)象觀察仿真結(jié)果。

為準(zhǔn)確反映橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形情況，對(duì)其精細(xì)化劃分網(wǎng)格，單元數(shù)為883個(gè)；套管是剛性體，形狀規(guī)則，簡(jiǎn)單劃分即可，單元數(shù)為452個(gè)。橡膠封隔結(jié)構(gòu)變形后，會(huì)與套管壁接觸，應(yīng)設(shè)置接觸對(duì)；而橡膠封隔結(jié)構(gòu)是柔性體，套管是剛性體，因此，應(yīng)將橡膠封隔結(jié)構(gòu)表面設(shè)置為接觸面，套管內(nèi)壁設(shè)置為目標(biāo)面，由于兩接觸面之間不滲透，且可以產(chǎn)生切向滑動(dòng)，設(shè)置接觸對(duì)類型為Frictional型，摩擦系數(shù)0.36(鋼和橡膠之間的摩擦系數(shù))。根據(jù)分析可知，橡膠封隔結(jié)構(gòu)主要受液體壓力產(chǎn)生變形，一是來自離心增壓葉輪的液體直接的高壓沖擊，二是位于高壓側(cè)液體的壓力，對(duì)離心增壓牽引器兩級(jí)樣機(jī)而言，兩壓力值相等，同為0.124 MPa。對(duì)橡膠封隔結(jié)構(gòu)的約束主要來自于兩邊的卡箍，另外，套管基本不變形，因此套管外側(cè)應(yīng)施加約束。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為得到橡膠封隔結(jié)構(gòu)對(duì)離心增壓牽引器運(yùn)動(dòng)性能的影響因素，對(duì)目前使用的厚度為1 mm、長(zhǎng)度為36.6 mm的丁基橡膠封隔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，估計(jì)其邵氏硬度值為60 HS，實(shí)驗(yàn)條件下，高壓側(cè)橡膠封隔結(jié)構(gòu)正面和側(cè)面所受壓力為0.124 MPa，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 橡膠封隔結(jié)構(gòu)原型仿真位移云圖和應(yīng)力云圖

根據(jù)所得到的仿真結(jié)果可知：

1)橡膠封隔結(jié)構(gòu)受壓后，變形較大，最大位移為12.004 mm，封隔結(jié)構(gòu)整體向低壓側(cè)傾斜，橡膠封隔結(jié)構(gòu)受壓后膨脹并與套管內(nèi)壁接觸，而且接觸面積較大，這樣，牽引器在套管內(nèi)移動(dòng)時(shí)，橡膠封隔結(jié)構(gòu)與套管壁之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，摩擦力的大小主要取決于橡膠封隔結(jié)構(gòu)與套管內(nèi)壁的接觸面積和高壓液體的壓力，因此，當(dāng)壓力一定時(shí)，橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形大小會(huì)直接影響牽引器的運(yùn)動(dòng)阻力。

2)由應(yīng)力云圖可以看到，橡膠封隔結(jié)構(gòu)受壓時(shí)，在與卡箍接觸處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果所受壓力過大，超過橡膠封隔結(jié)構(gòu)的承受范圍，會(huì)導(dǎo)致橡膠封隔的疲勞斷裂，這會(huì)導(dǎo)致牽引器整體運(yùn)動(dòng)失效。

為改善橡膠結(jié)構(gòu)，仿真應(yīng)重點(diǎn)考慮橡膠結(jié)構(gòu)厚度、橡膠材料(主要是硬度)、初始接觸面積(與套管)三因素對(duì)橡膠變形及承壓能力的影響。

3.1 橡膠結(jié)構(gòu)厚度-變形-承壓能力之間的關(guān)系

由于實(shí)驗(yàn)所用橡膠封隔結(jié)構(gòu)厚度較薄，導(dǎo)致其受壓后變形較大，且易磨損和斷裂，因此，厚度是需要考慮的首要因素，分別對(duì)不同的橡膠封隔結(jié)構(gòu)建模，并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行仿真，得到的仿真位移云圖如圖5。

圖5 不同厚度情況下橡膠封隔結(jié)構(gòu)仿真

由于篇幅所限，圖中只截取了部分厚度的仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果圖，可以看到，隨著厚度的增加橡膠封隔結(jié)構(gòu)整體變形變小，變形后與套管內(nèi)壁的接觸面積也逐漸變小；厚度達(dá)到4 mm時(shí)，橡膠封隔結(jié)構(gòu)變形很小，如果繼續(xù)增加厚度，橡膠封隔結(jié)構(gòu)幾乎不變形；由于其變形在最大位移處表現(xiàn)最明顯，可以用最大位移表示其變形程度，這樣可以得到橡膠封隔結(jié)構(gòu)厚度和變形的關(guān)系曲線。

在同一厚度下，其他條件不變，增加所受壓力，當(dāng)壓力增加到一定值時(shí)，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)不收斂，橡膠封隔結(jié)構(gòu)變形失效，這表明該壓力已經(jīng)達(dá)到橡膠封隔結(jié)構(gòu)所能承受的極限，因此繼續(xù)增加壓力會(huì)導(dǎo)致橡膠封隔結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處的疲勞斷裂；統(tǒng)計(jì)不同厚度情況下橡膠封隔結(jié)構(gòu)所能承受的極限壓力，這樣可以得到橡膠封隔結(jié)構(gòu)厚度和極限壓力的關(guān)系曲線(表1)。

表1 不同厚度時(shí)橡膠封隔結(jié)構(gòu)的極限壓力和最大位移

圖6 橡膠封隔結(jié)構(gòu)厚度和變形、極限壓力的關(guān)系曲線圖

由以上數(shù)據(jù)可知，隨著橡膠厚度變厚，橡膠封隔結(jié)構(gòu)的極限壓力逐漸增大，變形逐漸減小，其與套管內(nèi)壁的接觸面積也不斷減小，為保證橡膠封隔結(jié)構(gòu)既有較好的承壓能力，又能夠與套管內(nèi)壁有較大的接觸面積，產(chǎn)生良好的密封效果，橡膠厚度宜取在1.4 mm～1.5 mm區(qū)間選取。

3.2 橡膠材料硬度-變形-承壓能力之間的關(guān)系

保持其他條件不變，選取厚度為1.5 mm的橡膠封隔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)公式(7)計(jì)算數(shù)據(jù)，輸入不同硬度情況下的材料參數(shù)值，得到不同硬度情況下仿真結(jié)果，同樣，可以得到橡膠封隔結(jié)構(gòu)硬度和變形的關(guān)系曲線。

其他條件不變，增加所受壓力，可以得到不同硬度情況下橡膠封隔結(jié)構(gòu)所能承受的極限壓力，如表2所示，同樣可以得到橡膠封隔結(jié)構(gòu)材料硬度和極限壓力的關(guān)系曲線。

表2 不同硬度時(shí)橡膠封隔結(jié)構(gòu)的極限壓力和最大位移

圖7 橡膠封隔結(jié)構(gòu)硬度和變形、極限壓力的關(guān)系曲線圖

由以上數(shù)據(jù)可知，隨著橡膠硬度的提高，橡膠封隔結(jié)構(gòu)的極限壓力逐漸增大，硬度小于50 HS時(shí)，極限壓力較小，此時(shí)橡膠封隔結(jié)構(gòu)承壓能力過小，不適用于0.124 MPa的樣機(jī)工況，此時(shí)無法計(jì)算出最大位移量；而橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形隨著橡膠硬度的增大而減小，硬度大于80 HS時(shí)，橡膠封隔結(jié)構(gòu)變形很小，與套管內(nèi)壁的接觸面積很小，不適用樣機(jī)工況，由圖7可知，當(dāng)硬度在55 HS～65 HS范圍時(shí)，橡膠封隔結(jié)構(gòu)既有較大的承壓能力，也能與套管壁形成較大的接觸面積，產(chǎn)生較好的密封效果。

3.3 初始接觸面積-變形-承壓能力之間的關(guān)系

離心增壓牽引器實(shí)驗(yàn)所使用的橡膠封隔結(jié)構(gòu)與套管接觸面積很小，這樣受到壓力沖擊時(shí)變形較大，如果增大橡膠封隔結(jié)構(gòu)和套管內(nèi)壁的初始接觸面積，會(huì)減少橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形，因此，初始接觸面積也是需要考慮的一項(xiàng)重要因素。

建立初始接觸線長(zhǎng)度(乘以套管內(nèi)壁周長(zhǎng)即為初始接觸面積)為2 mm～8 mm的橡膠封隔結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其仿真分析，部分結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同初始接觸線長(zhǎng)度時(shí)橡膠封隔結(jié)構(gòu)仿真

列出不同初始接觸線長(zhǎng)度時(shí)的最大位移值，如表3所示。

表3 不同初始接觸線長(zhǎng)度時(shí)的最大位移值

可見，隨著初始接觸面積的增大，橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形減小，當(dāng)初始接觸面積過大時(shí)，盡管橡膠封隔結(jié)構(gòu)的變形較小，但變形后其與套管接觸面積過大，這會(huì)導(dǎo)致牽引器運(yùn)動(dòng)過程中阻力的增大，因此，初始接觸面積并不是越大越好。與樣機(jī)所使用的橡膠封隔結(jié)構(gòu)變形相比，當(dāng)初始接觸線長(zhǎng)度在4 mm～6 mm時(shí)，橡膠封隔機(jī)構(gòu)最終變形有所減小，且變形后與套管壁接觸面積增加很少，并且能夠減少應(yīng)力集中。

4 結(jié)語

對(duì)離心增壓式牽引器的橡膠封隔結(jié)構(gòu)在受壓情況下的變形進(jìn)行了仿真分析，得出了厚度、材料硬度、初始接觸面積對(duì)仿真結(jié)果的影響，在樣機(jī)工況下，使用厚度為1.4 mm～1.5 mm、硬度為55 HS～65 HS、初始接觸線長(zhǎng)度為4 mm～6 mm的橡膠封隔結(jié)構(gòu)時(shí)，能減小離心增壓牽引器的運(yùn)動(dòng)阻力，提高橡膠封隔結(jié)構(gòu)的承壓能力，并且有較好的密封、隔壓效果。

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The rubber sealing structure of downhole centrifugal boost tractor

YI Ming, TAN Yuegang, LIU Mingyao

Downhole centrifugal boost tractor works by increasing the downhole fluid pressure, isolating the high pressure and low pressure with a rubber sealing structure, and driving forward by pressure difference. The rubber sealing structure is the key part of the downhole centrifugal boost tractor. Since the rubber sealing structure has great influence on the performance of the tractor, we carried out simulation of the deformation of the rubber sealing structure under pressure with ANSYS, analyzed the simulation results with different thickness, hardness, or initial contact area, and obtained the suitable parameters for the rubber sealing structure.

downhole centrifugal boost tractor，rubber sealing structure，simulation

TH6

A

1002-6886(2016)05-0050-05

易明，男，碩士，研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)，研究方向：井下牽引器。

2016-04-23