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1、法压料技大学 论文题目： 大膨胀量封隔器的设计及其力学模型的研究 学位门类：工学 一级学科：材料科学与工程 培养单位：机电工程学院 硕士生： 导师： 程大勇 曾珊琪 2 0 1 2 年5 月 D ES I G NO FT H EP A C K E RW I T HT H E L A R G EE X P A N S I o NA N DR E S E A R C H o NT 耻M E C 日L f U 叮I C A LM o D E L AT h e s i sS u b m i t t e dt o S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n
2、c ea n dT e c h n o l o g y i nP a r t i a lF u l f i l l m e n to ft h eR e q u i r e m e n tf o rt h eD e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n e B y C h e n a D a v o n 2 T h e s i sS u p e r v i s o r ：P r o f e s s o r Z e n a S h a n o i M a y , 2 0 1 2 大膨胀量封隔器的设计及其力学模型的研究 摘要 本课题是根据国内的油
3、田的需求，受西安的某石油公司的委托，对大膨 胀量封隔器进行设计与研究。课题以增大封隔器的膨胀量，达到密封油田中 油井套管的目的，结合现代的设计方法和C A E 技术，对封隔器进行了整体 的设计，对复合结构中钢带和橡胶以及橡胶的不同区域分别进行了力学计 算，对钢带和复合结构分别进行了结构静力学分析。 随着油田的不断开发，我国可进行高产的油田越来越少，面临的工况环 境越来越差。在采油过程中一些工程技术因素或是地质环境的破坏等原因， 都会造成油井套管的损坏，必须对套管进行修补，这样就产生了一个缩径， 造成传统的封隔器不适合这种变形油井的使用。为了更加合理开发油田，提 高油田采油效率，本课题进行了大膨
4、胀量封隔器的研究。国内现在的小直径 封隔器的研究重点都是在胶筒新材料的开发上，本课题提出了一种新的密封 设备，对胶筒的结构进行改进，采用钢带与橡胶相结合的复合结构膨胀体。 对封隔器进行了整体结构的设计，并应用了三维实体建模技术和有限元分析 技术，对封隔器进行实体建模和数值模拟。由于复合结构中含有钢带和橡胶 两种材料，所以要对他们分别进行计算，本课题对钢带进行了受力分析计算， 建立出钢带尺寸与径向压力之间的关系式，优化了钢带的结构和尺寸，使钢 带更加容易弯曲，并且轴向压力更大。对橡胶的被支撑部分和悬空部分分别 进行了计算，分别建立了受钢带压力的橡胶和套管的接触应力之间的关系 式，对以后的大膨胀量
5、封隔器的研究提供了一定的参考。 根据对大膨胀量封隔器的需求特点，确定了大膨胀量封隔器的总体设计 方案，包括大膨胀量封隔器的总体结构设计和复合结构的结构设计。通过对 橡胶的不同区域进行计算，证明了复合结构是可行的。本课题利用P r o E 、 A N S Y S 软件，建立了封隔器的三维模型，并对其进行了静力学有限元数值 模拟分析，通过有限元计算方法对复合结构以及大膨胀量封隔器的关键部分 进行了力学性能分析研究。 在封隔器的设计中，使用了有限元分析技术，采用A N S Y S 软件对钢带 和整个复合结构进行了有限元分析研究，分析了钢带与复合结构的最大变形 量以及它们的应力分布，对封隔器密封部分的
6、膨胀量提供了一定的参考价 值。对于缩短封隔器的研发周期、降低封隔器的研发成本，具有重要的意义， I I D ES I G No FT H EP A C K E RW I T HT H E L A R G EE X P A N S I o NA N DR ES E A R C H o NT H E C 日圳C A LM o D E L A B S T R A C T T h i st o p i cw a sc o m m i s s i o n e db ya l lo i lc o m p a n yi nX i a n , a c c o r d i n gt ot h e d e m a
7、 n do fd o m e s t i co i lf i e l d s ；w a sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e dt h el a r g ee x p a n s i o n p a c k e r T oi n c r e a s et h ea m o u n to fe x p a n s i o no ft h ep a c k e ra n dt os e a lo i lw e l l c a s t i n gt oa c h i e v et h ep u r p o s eo ft h ep a p e r F i r
8、s t l y , W a sc o m b i n e dw i t ht h e m o d e r nd e s i g na n dC A Et e c h n o l o g i e st od e s i g nt h ew h o l ep a c k e r , t h e n ， m e c h a n i c sc a l c u l a t i o nw e r ec a r r i e do ns t e e ls t r i pa n dr u b b e ro ft h ec o m p o s i t e s t r u c t u r ea n dd i f f
9、 e r e n tr e g i o n so ft h er u b b e r A tl a s t ，W a sc o n d u c t e dt h eS t a t i c a n a l y s i so f s t e e ls t r i pa n dt h ec o m p o s i t es t r u c t u r e W i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h eo i lf i e l d ，C h i n a sh i g h - y i e l do i l f i e l d sb
10、 e c o m el e s s ，a n dt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sb e c o m ew o r s e I nt h eo i l e x t r a c t i o np r o c e s s ，s o m ee n g i n e e r i n ga n dt e c h n i c a lf a c t o r s ，o rt h ed e s t r u c t i o no f t h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n do t h e rr
11、 e a s o n sc a nc a u s ed a m a g et ot h eo i lw e l l c a s i n g T h u s ，t h ec a s t i n gm u s tb er e p a i r e d B u tt h i sw i l lr e s u l ti nt h ed i a m e t e ro f t h ec a s t i n gb e c o m es m a l l e r , a n dt h et r a d i t i o n a lp a c k e ri sn o ts u i t a b l ef o rt h i
12、 s d e f o r m a t i o no ft h eu s eo fw e l l s T h et h e s i ss t u d i e dt h el a r g ee x p a n s i o no ft h e a m o u n to ft h ep a c k e rt od e v e l o po i lf i e l dr a t i o n a l l ya n di m p r o v eo i le x t r a c t i o n e f f i c i e n t l y F o r s m a l ld i a m e t e rp a c k
13、 e r , d o m e s t i cr e s e a r c hf o c u s e so nt h e d e v e l o p m e n to fn e w m a t e r i a l si nt h ec o n e s ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dan e w s e a l i n g d e v i c et oi m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ec o n e st h r o u g hu s i n gac o m b i n a t i o no f s t r
14、i p a n dr u b b e rc o m p o u n ds t r u c t u r a le x p a n s i o no ft h eb o d y , a n dd e s i g n e dt h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h ep a c k e r A c c o r d i n gt oa p p l y i n gt h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e l i n g a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s
15、t e c h n i q u e s ，c o n d u c t e dp h y s i c a lm o d e l i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot h ep a c k e r B e c a u s et h ec o m p o s i t es t r u c t u r ei n c l u d e d b e l t sa n dr u b b e r , S Ot I l e yw e r ec a l c u l a t e di n d e p e n d e n t l yC a l c u l
16、 a t e dt h es t r e s so f t h es t r i p ，e s t a b l i s h e dt h er e l a t i o n s h i po ft h es t r i ps i z ea n dr a d i a lp r e s s u r e ，a n d o p t i m i z e dt h es t r u c t u r ea n ds i z eo ft h es t r i p T h es t r i pw i l lb eb e n d e de a s i e ra n d t h ea x i a lp r e s s u r ew i l lb eg r e a t e r T h es u p p o r t i n gp a r ta n dt h ev a c a n tp a r to ft h e
