K344波纹状钢骨架封隔器结构优化

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.010

辽宁石油化工大学学报 ›› 2021, Vol. 41 ›› Issue (4): 58-62.DOI: 10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.010

K344波纹状钢骨架封隔器结构优化

王瑞¹(), 孙浩¹, 余波², 赵春立¹, 潘一¹()

^1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.中国石油新疆油田分公司百口泉采油厂，新疆克拉玛依 834000

收稿日期:2020-05-28 修回日期:2020-06-20 出版日期:2021-08-25 发布日期:2021-09-16
通讯作者: 潘一
作者简介:王瑞（1996⁃），男，硕士研究生，从事油气田开发方面的研究；E⁃mail：brown_wang@126.com。
基金资助:
中国石油科技创新基金项目(2017D?5007?0201)

Structural Optimization of K344 Corrugated Steel Frame Packer

Rui Wang¹(), Hao Sun¹, Bo Yu², Chunli Zhao¹, Yi Pan¹()

^1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.Baikouquan Oil Production Plant，PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay Xinjiang 834000，China

Received:2020-05-28 Revised:2020-06-20 Published:2021-08-25 Online:2021-09-16
Contact: Yi Pan

摘要/Abstract

摘要：

在条件复杂的深油气井井下作业时，封隔器需要具备良好的耐高温、耐高压和密封性能，以此来提高封隔器的使用寿命。相较于传统的K344叠层钢带封隔器，K344波纹状钢骨架封隔器可以有效地减少内外胶筒中部应力，使中部受力更均匀，并可同时降低肩部受力。利用ABAQUS软件，对K344波纹状钢骨架封隔器的坐封过程进行有限元仿真分析，从结构和材料两方面对钢带的受力情况进行研究，并通过仿真分析优选出钢带的最优厚度以及钢带的最优材料。优化后的封隔器能够更好地适应深油气井的作业要求，提供了一种新的扩张式封隔器设计思路。

关键词: K344封隔器, 波纹式构造, 仿真分析, 钢带厚度, 结构优化

Abstract:

In the complex deep oil and gas well downhole operation, the packer needs to have good high temperature resistance, high pressure resistance and sealing performance, so as to improve the service life of the packer.Compared with the traditional K344 laminated steel belt packer, the K344 corrugated steel frame packer can effectively reduce the stress in the middle of the inner and outer rubber barrel, make the force in the middle more even, and reduce the force on the shoulder at the same time. In this paper, by using ABAQUS software, the K344 corrugated steel skeleton packer setting process in finite element simulation analysis, from two aspects of structure and material to the force of the steel strip was studied, and a simulation analysis with the optimal thickness of the strip, and the optimal material for steel belt optimized packer could better adapt to the job of deep oil and gas wells, provided a new expansion packer design thinking.

Key words: K344 packer, Corrugated structure, Simulation analysis, Steel strip thickness, Structure optimization

中图分类号:

TE931

王瑞, 孙浩, 余波, 赵春立, 潘一. K344波纹状钢骨架封隔器结构优化[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(4): 58-62.

Rui Wang, Hao Sun, Bo Yu, Chunli Zhao, Yi Pan. Structural Optimization of K344 Corrugated Steel Frame Packer[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2021, 41(4): 58-62.

图/表 12

图1 K344叠层钢带封隔器实物图

图2 K344波纹状钢骨架封隔器结构

图3 封隔器坐封前模型及网格划分

图4 波纹曲面弯曲形状曲线

表1 封隔器各部件性能参数及几何尺寸

结构名称	内径/mm	外径/mm	高度/mm	弹性模量×10^－5/MPa	泊松比	材料正定常数
结构名称	内径/mm	外径/mm	高度/mm	弹性模量×10^－5/MPa	泊松比	C₁₀	C₀₁
内胶筒	44.15	61.0	600	—	0.50	1.53	0.77
钢带	61.00	65.0	—	1.89	0.27	—	—
外胶筒	65.00	77.5	535	—	0.50	1.53	0.77
护箍	65.00	77.5	—	2.10	0.28	—	—
套管	90.00	110.0	675	2.10	0.28	—	—

图5 封隔器坐封后模型

图6 波纹状钢骨架坐封前后对比

图7 封隔器内外胶筒接触应力图

图8 K344波纹状钢骨架封隔器内外胶筒Mises等效应力云图

图9 不同厚度钢骨架接触应力及形变

表2 不锈钢与弹簧钢参数

材料名称	弹性模量×10^－11/(N·m^－2)	泊松比	密度×10^－3/(kg·m^－3)
1Cr18Ni9（不锈钢）	1.84	0.243	7.92
65Mn（弹簧钢）	2.11	0.288	7.82

图10 不同材料钢带接触应力曲线

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K344波纹状钢骨架封隔器结构优化

Structural Optimization of K344 Corrugated Steel Frame Packer

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