張 順

（江漢井下測(cè)試公司塔里木分公司測(cè)試項(xiàng)目部，新疆 輪臺(tái) 841600 ）

一﹑前言

封隔器是一種密封彈性元件，用來(lái)封隔管柱和井眼以及管柱之間的空間，產(chǎn)生封隔層，用來(lái)控制石油等產(chǎn)液對(duì)套管的作用力，保護(hù)套管不受到損壞。在石油開(kāi)采的過(guò)程中，封隔器的主要作用是用來(lái)分層，封隔器上面設(shè)有采油通道。橋塞是作用是油氣井封層，通過(guò)管柱將橋塞運(yùn)送到指定位置，通過(guò)坐封工具或者火藥爆炸產(chǎn)生的壓力和拉力分別作用于上卡瓦和張力棒，當(dāng)拉力達(dá)到一定值時(shí)，張力棒就會(huì)斷裂，坐封工具和橋塞就會(huì)脫離，這時(shí)候，橋塞中的上下卡瓦破碎鑲嵌在套管內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)坐封。

二﹑封隔器作業(yè)時(shí)的受力情況

封隔器的受力狀況比較復(fù)雜，所以，我們需要建立一個(gè)模型來(lái)分解其受力情況，逐步解答。在現(xiàn)有研究封隔器受力的基礎(chǔ)上，建立科學(xué)的管柱模型，充分考慮摩擦力﹑內(nèi)外壓差產(chǎn)生的壓力﹑井眼彎曲和傾斜角度等因素，建立起主水管在井眼中受到各種作用力的效果模型，同時(shí)，封隔器的固定又需要其他的錨固工具和長(zhǎng)度補(bǔ)償工具等的支撐，這些因素也在一定程度上影響著封隔器的受力，所以，在建立模型時(shí)，要充分考慮各類(lèi)因素對(duì)封隔器的作用，建立更接近于真是受力情況的模型。根據(jù)注水作業(yè)的實(shí)際操作，我們建立了以下兩個(gè)模型。

1 基于實(shí)測(cè)井眼軌跡三維曲井中注入管柱軸向載荷力學(xué)模型。

軸向載荷分析是管柱力學(xué)分析中的重要內(nèi)容，三維曲井的井眼情況較為復(fù)雜，管柱的軸向荷載包括管道的豎向摩擦，管柱的重力效應(yīng)，液體浮力，液體與管柱間的粘滯力和管柱彎曲分解產(chǎn)生的軸向力組合而成，在充分考慮各類(lèi)作用力對(duì)管柱的軸向作用后，建立了管柱軸向模型，能夠合理科學(xué)的表達(dá)各個(gè)力對(duì)管柱的具體作用情況和造成的影響，使得技術(shù)人員能夠更加清楚的掌握每一個(gè)力的分別作用情況。建立模型最重要的是對(duì)實(shí)際設(shè)備進(jìn)行合理的假設(shè)，這個(gè)模型進(jìn)行的假設(shè)有：井壁和管柱之間為剛性作用，并且完全接觸，管柱和井眼軸線(xiàn)平行，管柱的重力﹑壓力和摩擦力分布均勻，彎曲的管柱彎起弧度是等曲率圓弧，忽略下部的動(dòng)荷載的影響。

經(jīng)過(guò)力學(xué)模型分析得出，封隔器在井眼中的受力變化是空間弧形，管柱的有效軸應(yīng)力是管柱的自身重力與管柱內(nèi)外液體壓力差之和減去摩擦力之差的結(jié)果。

2 溫度場(chǎng)模型。

在水井還未注水投入使用前，管柱的溫度基本與地層溫度一致，但是注水以后，從地面流入的液體帶有一定的溫度，這就會(huì)打破地層原有的熱平衡，管柱的溫度會(huì)隨著液體的不斷注入不斷地發(fā)生變化，與原來(lái)的溫度場(chǎng)模型相比，現(xiàn)在的模型將注入液體所帶來(lái)的溫度差考慮在內(nèi)，管柱在作業(yè)時(shí)的受力也會(huì)受到溫度的影響，所以建立更加接近于實(shí)際情況的模型對(duì)分析封隔器工作時(shí)的受力更加準(zhǔn)確。

三﹑橋塞作業(yè)時(shí)的受力情況

橋塞是用來(lái)進(jìn)行油氣井封層的工具，它的施工順序少，周期短，卡封位置準(zhǔn)確，我們平時(shí)所用的橋塞分為永久式橋塞和可取式橋塞兩種，本文著重介紹永久式橋塞。Y443-108可鉆式橋塞是通過(guò)管柱或者電纜投送的永久式橋塞，主要由密封機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)兩大部分組成。根據(jù)橋塞投入使用的過(guò)程來(lái)分別描述橋塞的受力情況。首先要應(yīng)用分析軟件對(duì)可取橋塞模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定套管的受力情況和應(yīng)力分布和變化規(guī)律，然后利用三維光彈性實(shí)驗(yàn)對(duì)橋塞進(jìn)行力學(xué)模型的受力分析，然后通過(guò)對(duì)比得出正確的受力狀況分析。

首先進(jìn)行可鉆式橋塞的非線(xiàn)性理論分析。可鉆式橋塞是連續(xù)的，需要計(jì)算出應(yīng)力﹑第二應(yīng)力和應(yīng)變張量在實(shí)際情況下的真實(shí)應(yīng)力，應(yīng)力張量分為三類(lèi)，由于P型應(yīng)力張量并不是對(duì)稱(chēng)的，而真實(shí)情況下的應(yīng)力是對(duì)稱(chēng)的，所以，應(yīng)力張量的概念和計(jì)算方法并不適用于應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，從而需要采用S型的應(yīng)力張量來(lái)計(jì)算，利用質(zhì)量守恒﹑線(xiàn)動(dòng)量守恒﹑角度量守恒和能量守恒的原則得出相應(yīng)的方程解釋受力情況。此后，要將有限元離散化，建立離散化方程，充分考慮內(nèi)部節(jié)點(diǎn)力和外部節(jié)點(diǎn)力的影響，建立質(zhì)量矩陣，得到有效地離散元方程。非線(xiàn)性有限元分析可以分為材料非線(xiàn)性分析﹑幾何非線(xiàn)性分析和接觸非線(xiàn)性分析三種。對(duì)于非線(xiàn)性受力問(wèn)題的解決，在現(xiàn)有的知識(shí)理論下并沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的解答方法，所以只能采取數(shù)值解法來(lái)分析。從數(shù)學(xué)角度解決非線(xiàn)性受力問(wèn)題的分析可以通過(guò)偏微分方程的邊值問(wèn)題和初值問(wèn)題進(jìn)行求解，對(duì)于可鉆式橋塞的非線(xiàn)性問(wèn)題的計(jì)算，我們主要通過(guò)載荷增量法和紐頓-安普森方法結(jié)合運(yùn)算，通過(guò)平衡方法得到近似解。

其次就是可鉆式橋塞彈塑性理論分析。可鉆式橋塞在受到較大壓力的狀態(tài)下，承受較大的外部荷載，當(dāng)荷載較小時(shí)，橋塞表現(xiàn)為彈性，隨著荷載的不斷增大，橋塞進(jìn)入塑性變形階段。這時(shí)候，橋塞的變形是塑性變形，而在塑性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是非線(xiàn)性的，這種非線(xiàn)性的變化不僅與材料有關(guān)，還與環(huán)境條件和加載的時(shí)間和速度有關(guān)。彈塑性的應(yīng)力應(yīng)變分析比彈性力學(xué)要復(fù)雜的多，對(duì)于可鉆式橋塞來(lái)說(shuō)，我們需要進(jìn)行單軸應(yīng)力下的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變分析，但是這是建立在材料是均勻且連續(xù)的假設(shè)下，并且在變化后，塑性變形部分的體積變?yōu)榱?，同時(shí)忽略時(shí)間因素對(duì)于材料塑性的影響。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的塑性屈服準(zhǔn)則包括屈雷斯加屈服準(zhǔn)則和米塞斯屈服準(zhǔn)則，在充分考慮流動(dòng)法則和硬化條件的因素下，建立彈塑性本構(gòu)關(guān)系和彈塑性矩陣。要想準(zhǔn)確的確定每一個(gè)應(yīng)力分量，需要對(duì)規(guī)定的應(yīng)力值和荷載加載方向和彈塑性切線(xiàn)矩陣已知，應(yīng)力可以通過(guò)積分求得，解決彈塑性問(wèn)題的方法包括增量切線(xiàn)剛度法﹑增量初應(yīng)力法和增量初應(yīng)變法。

結(jié)語(yǔ)

隨著油氣田的不斷開(kāi)采和利用，油氣田的開(kāi)采遇到了前所未有的技術(shù)難題。探究封隔器和橋塞作業(yè)時(shí)的受力情況對(duì)于今后高效地開(kāi)采油氣田，提高一次性開(kāi)采成功的概率，推動(dòng)石油業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。

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[2]杜常橋，李世民，呂宏茹.封隔器膠筒應(yīng)力數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].斷塊油氣田，2008（02）.