耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，该方法包括以下步骤：建立封隔器卡瓦三维有限元模型；确定影响卡瓦锚定性能的因素参数，确定参数的因素水平，根据选择的因素参数和因素水平设计正交试验；将正交试验参数带入有限元模型进行计算，并获得正交试验数据；对正交试验结果进行分析，基于极差分析与综合频率分析法确定最优参数组合。本发明专利技术将有限元法与正交试验应用于卡瓦结构优化中，降低了试验成本，提高了优化效率。本发明专利技术可针对不同套管以及工况对封隔器卡瓦进行高效的优化改进，提升卡瓦结构安全性、减小套管损伤程度，保证卡瓦锚定效果的稳定性。保证卡瓦锚定效果的稳定性。保证卡瓦锚定效果的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法


[0001]本专利技术涉及石油机械领域，更具体地说，涉及一种耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法。

技术介绍

[0002]封隔器是油田开发中常用的井下工具，可用于试油、注水、挤水泥、分层压裂及酸化等井下作业。卡瓦作为封隔器锚定过程中传递及承担载荷的主要构件，起到支撑封隔器、锁定胶筒的作用。卡瓦的性能优劣是油田安全生产的影响因素之一。随着油田开采的不断深入，高温高压成为深井以及超深井的一个显著特点。在高温高压深层油气井开发过程中，由于封隔器失效导致的事故时有发生，造成严重经济损失。因此，封隔器性能要求越来越高，如何针对不同套管以及工况对封隔器卡瓦进行高效的优化改进已经成为一个重要的需求。
[0003]目前，对封隔器卡瓦机构锚定性能的研究已有部分显著成果，但存在一些不足。中国专利技术专利CN106326667A公开了一种完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算模型与方法，此方法可提高完井封隔器卡瓦段套管的承载能力和安全系数；中国技术专利CN205422632U公开了一种笼式锚定卡瓦及封隔器卡瓦机构，卡瓦机构的锚定性能得到了较大的提高，满足了封隔器在高压环境下的使用要求。以上专利，分别从理论计算与结构创新的角度，对封隔器卡瓦机构的设计和应用提供了一定的支撑证据，但还存在以下问题：缺乏有效的试验数据对卡瓦锚定性能的提升进行直观的评估，也缺乏一套完备的、系统的卡瓦机构优化方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，可针对不同套管以及工况对封隔器卡瓦进行高效的优化改进，提升卡瓦结构安全性、减小套管损伤程度，保证卡瓦锚定效果的稳定性。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，包括以下步骤：
[0006]S1、建立封隔器卡瓦机构有限元模型；
[0007]S2、确定影响卡瓦锚定性能的因素参数，确定参数的因素水平，根据选择的因素参数和因素水平设计正交试验；
[0008]S3、将正交试验参数带入有限元模型进行计算，并获得正交试验数据；
[0009]S4、对正交试验结果进行分析，基于极差分析与综合频率分析法确定卡瓦结构参数最优参数组合。
[0010]按上述方案，在所述步骤S2中，根据RTTS封隔器卡瓦设计要求，选择合金块安装间距、合金块安装倾角、合金块直径和卡瓦楔角4个参数作为影响卡瓦锚定性能的主要因素参数。
[0011]按上述方案，在所述步骤S4中，基于步骤S3中的有限元计算结果，选取三个试验评判指标，分别为卡瓦最大应力、最大咬入套管深度、各齿咬入深度均匀性，各齿咬入深度均匀性以卡瓦各齿咬入套管深度数据的标准差作为各齿咬入深度均匀性的衡量标准。
[0012]按上述方案，在所述步骤S4中，对正交试验的考察指标进行分析，先对每个考察指标进行单个指标的直观分析，再采用多因素方差分析对多个参数的试验结果进行分析；基于分析结果，采用综合频率分析法得出最优的试验方案。
[0013]按上述方案，在所述步骤S2中，所述正交试验因素水平为3。
[0014]按上述方案，通过Solidworks软件和ABAQUS软件实现的方法如下：
[0015](1)、利用Solidworks软件分别建立卡瓦、滑套、硬质合金块、套管的三维模型，并完成装配；
[0016](2、将上述装配体导入ABAQUS软件中，在部件中选择三维模型，建立卡瓦机构的三维有限元模型；
[0017](3)、设置各部件的材料属性，分别赋予卡瓦、滑套、硬质合金块、套管材料属性，所设置的材料属性参数包括密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；
[0018](4)、设置一个静力通用分析步：step
‑
1，确定分析步时间，由于所述模型在有限元分析过程中会发生塑性变形，因此设置step
‑
1分析步的几何非线性为开，由于所述模型计算过程极易发生不收敛现象，因此将step
‑
1分析步的初始增量步减小；
[0019](5)、将上述整个模型的应力云图、应变云图添加为输出；
[0020](6)、在相互作用模块设置上述模型中的接触关系，建立两种相互作用属性IntProp
‑
1与IntProp
‑
2，IntProp
‑
1对应卡瓦与滑套的接触关系，IntProp
‑
2对应硬质合金块与套管的接触关系；IntProp
‑
1切向行为采用罚函数来定义，设置其摩擦系数，法向行为采用硬接触来定义；IntProp
‑
2切向行为采用罚函数来定义，设置其摩擦系数，法向行为采用硬接触来定义；两种接触关系均设置为表面与表面接触；
[0021](7)、创建约束：将硬质合金块下表面与卡瓦凹槽表面设置绑定约束；
[0022](8)、设置边界条件：建立四个边界条件BC
‑
1、BC
‑
2、BC
‑
3、BC
‑
4；BC
‑
1：在initial中设置套管外表面为对称/反对称/完全固定约束，选择“完全固定(U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0)”，并设置该边界条件可以传递至Step
‑
1中；BC
‑
2：在initial中设置锥套下表面为位移/转角约束，仅对轴向位移不作约束，即设置自由度U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0，并设置该边界条件可以传递至Step
‑
1中；BC
‑
3：在initial中设置卡瓦中部左侧面为位移/转角约束，设置自由度U1＝U3＝UR1＝UR2＝0，并设置该边界条件可以传递至Step
‑
1中；BC
‑
4：在initial中设置锥套左侧面为位移转角约束，设置自由度U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0，设置该边界条件可以传递至Step
‑
1中,并在step
‑
1中修改U1数值大小；对于上述步骤添加的BC
‑
4，可以根据实际受力状态调整U1大小；
[0023](9)、网格划分：卡瓦本体与滑套单元类型选择C3D10M，在卡瓦体齿槽边界处加密网格以便分析卡瓦应力集中现象，硬质合金块与套管网格属性选用选用正六面体单元C3D8R，在套管与硬质合金块接触部分做网格密化处理；
[0024](10)、提交作业：将上述所有设置完成后，创建一个新的作业，然后提交作业进行分析；
[0025](11)、分析完成后，提取整个模型的应力应变的输出结果
。
[0026]实施本专利技术的耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，具有以下有益效果：
[0027]1、本专利技术将有限元法与正交试验应用到卡瓦优化设计中，大幅降低了试验成本，同时提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立封隔器卡瓦机构有限元模型；S2、确定影响卡瓦锚定性能的因素参数，确定参数的因素水平，根据选择的因素参数和因素水平设计正交试验；S3、将正交试验参数带入有限元模型进行计算，并获得正交试验数据；S4、对正交试验结果进行分析，基于极差分析与综合频率分析法确定卡瓦结构参数最优参数组合。2.根据权利要求1所述的耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据RTTS封隔器卡瓦设计要求，选择合金块安装间距、合金块安装倾角、合金块直径和卡瓦楔角4个参数作为影响卡瓦锚定性能的主要因素参数。3.根据权利要求1所述的耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，其特征在于，在所述步骤S4中，基于步骤S3中的有限元计算结果，选取三个试验评判指标，分别为卡瓦最大应力、最大咬入套管深度、各齿咬入深度均匀性，各齿咬入深度均匀性以卡瓦各齿咬入套管深度数据的标准差作为各齿咬入深度均匀性的衡量标准。4.根据权利要求1所述的耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对正交试验的考察指标进行分析，先对每个考察指标进行单个指标的直观分析，再采用多因素方差分析对多个参数的试验结果进行分析；基于分析结果，采用综合频率分析法得出最优的试验方案。5.根据权利要求1所述的耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述正交试验因素水平为3。6.根据权利要求1所述的耐高压封隔器镶齿卡瓦结构参数优化方法，其特征在于，通过Solidworks软件和ABAQUS软件实现的方法如下：(1)、利用Solidworks软件分别建立卡瓦、滑套、硬质合金块、套管的三维模型，并完成装配；(2、将上述装配体导入ABAQUS软件中，在部件中选择三维模型，建立卡瓦机构的三维有限元模型；(3)、设置各部件的材料属性，分别赋予卡瓦、滑套、硬质合金块、套管材料属性，所设置的材料属性参数包括密度、杨氏模量、泊松比和屈服强度；(4)、设置一个静力通用分析步：step
‑
1，确定分析步时间，由于所述模型在有限元分析过程中会发生塑性变形，因此设置step
‑
1分析步的几何非线性为开，由于所述模型计算过程极易发生不收敛现象，因此将step
‑
1分析步的初始增量步减小；(5)、将上述整个模型的应力云图、应变云图添加为输出；(6)、在相互作用模块设置上述模型中的接触关系，建立两种相互作用属性IntP...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海博，唐永祥，董正军，郭知龙，郭锐锋，李文波，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务股份有限公司中石化江汉石油工程有限公司中石化江汉石油工程有限公司井下测试公司，
类型：发明
国别省市：