摘要
环形防喷器作为井控领域重要设备，在井喷事故发生时迅速封闭井口，有效防止井喷事故发生。国内环形防喷器研制起步较晚，其核心构件—胶芯使用寿命低，严重影响生产作业安全和油田效益。本文对锥形及球形防喷器封井时力学行为展开分析，总结胶芯等效应力及接触压力分布规律，并将两种环形防喷器进行对比。基于多元回归分析，采用响应面法分别对两种环形防喷器胶芯及支撑筋进行结构优化，使改进后环形胶芯使用寿命得到改善。本文研究工作主要包括以下几个方面： （1）介绍两种环形防喷器工作原理，归纳总结其优势。列举环形防喷器常见失效形式，并分析失效机理。 （2）以FH28-35锥形防喷器和球形防喷器为研究对象，用几何方法计算锥形防喷器活塞最大行程为 164.05mm, 胶芯最大挤胶量为 18.56L ; 球形防喷器活塞最大行程为171.11mm，胶芯最大挤胶量为24.40L。 （3）对胶芯材料开展力学实验，运用 ABAQUS 软件对实验数据进行拟合，表明Yeoh模型与实验数据较吻合，选择Yeoh模型为胶芯材料本构模型。 （4）建立两种环形防喷器三维模型，通过 ABAQUS 对环形防喷器胶芯密封钻杆过程进行数值仿真，得到两种环形防喷器胶芯等效应力、位移以及接触压力分布情况。对环形防喷器工作机理展开研究，绘制等效应力-接触压力曲线，总结两种胶芯强度变化规律和密封性能特点，分析得到：锥形防喷器适宜长时间封井，并且井下压力较低的工况下使用；球形防喷器适宜在井压压力较高，并且封井时间短的工况下使用。同时，对活塞施加冲击载荷，分析模拟井喷时两种胶芯的力学行为。 （5）基于多项式回归分析，运用响应面法，以胶芯密封区域高度、支撑筋上板块圆角半径以及上板块厚度为响应因子，以胶芯及支撑筋等效应力为响应值设计回归分析实验，按照实验建立34(2×17)组环形防喷器有限元模型，将仿真结果输入Design-Expert软件，通过比较R2对回归模型进行优选，并进行残差分析。采用完全二次函数模型得到胶芯等效应力响应曲面、等高线图以及关于响应值三元二次多项式回归方程。根据等高线图，分析响应因子对胶芯等效应力影响程度。 最后，根据软件分析出三个响应因子最佳组合，对锥形及球形防喷器重新进行数值仿真。结果表明，在基本不影响密封效果情况下，优化后环形防喷器胶芯工作时等效应力有所降低，能够有效延长胶芯寿命。
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