基于纳米流控系统的封隔器胶筒力学性能研究
发布时间：2021-02-19 03:10
胶筒是封隔器的主要密封元件。在油气田完井、注水以及压裂等工艺过程中,封隔器胶筒失效问题时有发生,且我国高温高压封隔器胶筒主要依赖国外进口。本文提出一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒,将纳米流控系统用蜂窝状骨架结构包覆形成新型胶筒材料,利用纳米流控系统独特的温变、压变特性,提高胶筒力学性能,研究具有耦合纳米流控系统特殊压力-体积特性的封隔器胶筒的力学性能。选择MCM-41型分子筛-水系统和β型沸石-水系统作为新型封隔器胶筒材料的填充配方,在所搭建的纳米流控系统实验台上,测试了所选取两种系统的压力-体积特性,得到了不同加载速率对纳米流控系统渗透压、有效孔体积及功能流体相对流出率的影响规律。运用ANSYS Workbench有限元分析软件静力学模块对包覆纳米流控系统的蜂窝骨架结构进行了力学性能研究,得到了蜂窝单胞径长壁厚比、高度的改变对蜂窝结构力学的影响规律,并给出了蜂窝结构的最佳尺寸参数建议。针对封隔器胶筒的坐封工况,对耦合纳米流控特性的封隔器胶筒及传统材料封隔器胶筒进行了有限元模拟分析,初步查明了坐封载荷与两种材料封隔器胶筒压缩距及接触应力之间的关系。实验研究表明,MCM-41型分子筛-水...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
蜂窝结构模型
第一章绪论7胶筒及传统封隔器胶筒的材料，对两种材料模型的力学性能进行研究，获得坐封载荷对封隔器胶筒压缩距的影响关系，探究坐封载荷对胶筒与套管之间接触应力的影响规律。1.3.2主要技术路线图1-2基于纳米流控系统的封隔器胶筒力学性能研究技术路线图经过文献调研，分析封隔器胶筒的工作条件，提出了基于纳米流控系统的封隔器胶筒力学性能研究。图1-2为本文研究的技术路线图，主要研究三部分内容：（1）纳米流控系统的力学性能研究；（2）蜂窝结构的力学性能分析；（3）传统材料封隔器胶筒及耦合纳米流控系统压力-体积特性的封隔器胶筒力学性能。纳米流控系统力学性能研究主要进行实验测试，将搭建纳米流控系统能量吸收/转换测试实验平台。首先进行纳米流控系统压力-体积实验设计，设计实验台的压力腔体及活塞杆，选取合适的压力传感器，设计其安装位置，进行实验腔体的校核；在封隔器胶筒的实际工况下，筛选出合适孔径的纳米多孔材料，通过一定配比进行纳米流控特性测试，得到纳米流控系统的压力-体积曲线，研究不同加载速率对纳米流控系统渗透压、有效孔体积及功能流体相对流出率的影响规律。蜂窝结构力学性能分析部分，主要借助ANSYSWorkbench软件，进行单个、多个蜂窝晶胞结构的力学性能进行分析，单蜂窝结构高度一定，研究改变径长壁厚比对结构性能的影响；当单蜂窝结构径长壁厚比一定，研究其
擅琢骺?系统压力-体积特性实验，对纳米流控系统进行配方筛选及实验工况设计，从渗透压、有效孔体积及功能流体的流出率三方面分析加载速率对纳米流控系统的影响。2.1纳米流控系统压力-体积特性实验设计纳米流控系统压力-体积特性实验设计主要分为纳米流控系统吸能/转换机理、纳米流控系统压力腔体设计、纳米流控系统压力—体积特性测试方案及纳米流控系统实验数据采集方案四部分。2.1.1纳米流控系统吸能/转换机理纳米流控系统是由纳米多孔材料与非浸润性功能流体通过一定比例混合封装后所构成，用于能量的吸收或转换。如图2-1所示，为封装于密闭容器内的液体和纳米多孔材料在外加载荷作用下的行为示意图。当一个疏水性孔道的直径在纳米级时，需要施加约10~200MPa的外部压力才能使功能流体流入其中。初始状态下，液体不能自发的进入疏水性纳米多孔材料孔道，如图2-1（a）所示。当外界压力增长至大于临界渗透压Pin后，液相的表面张力被突破，液体开始流入纳米孔道中，如图2-1（b）所示。此时，外部机械能部分在渗透过程中被转换成固-液相界面能，部分在输运过程中以热能形式耗散。若组成纳米流控系统的液体和多孔材料相互不浸润，那么在外部机械载荷卸载之后，被压入孔道内的液体会部分或全部流出多孔材料孔道，实现对所存储界面能的释放，这样的系统是可以多次重复使用的，图2-2为纳米流控系统压力-体积变化特性示意图，展示了纳米流控系统一个完整的吸收/转换能量过程。图2-1纳米流控系统在外加载荷作用下的行为示意图（a：液体未进入多孔材料孔道状态；b：液体进入纳米多孔材料状态）
【参考文献】：
期刊论文
[1]244.5mm套管三胶筒隔离封隔器研制[J]. 徐刚,张斌,李进,张启龙,刘鹏. 石油矿场机械. 2020(01)
[2]锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素[J]. 王旱祥,张砚雯,车家琪,刘延鑫,兰文剑,杜明超. 天然气工业. 2020(01)
[3]内凹型蜂窝结构在冲击载荷作用下的力学行为及响应特性研究[J]. 郭亚鑫,袁梦琦,钱新明,赵磊. 中国安全生产科学技术. 2019(12)
[4]面内冲击荷载下半凹角蜂窝的抗冲击特性[J]. 陈鹏,侯秀慧,张凯. 高压物理学报. 2019(06)
[5]新型可降解压裂封隔器胶筒[J]. 张毅,李景卫,杨小涛,张伟,刘晓林,王荫刚. 油气井测试. 2019(02)
[6]基于正交试验的压缩式封隔器胶筒的结构参数优化[J]. 张智,祝效华,许建波. 天然气工业. 2019(03)
[7]多级复合材料蜂窝结构的力学性能[J]. 杨志韬,于国财,刘鑫,张笑瑜,王增贤,吴林志. 复合材料学报. 2019(09)
[8]基于纳米流控系统的超弹套管保护套结构原理与性能试验[J]. 章娅菲,祁珊珊,窦益华. 石油钻探技术. 2018(06)
[9]基于ZSM-5型沸石-水系统的封隔器胶筒材料密封性能研究[J]. 章娅菲,窦益华,罗睿. 润滑与密封. 2018(10)
[10]压缩式封隔器波浪形胶筒力学性能分析[J]. 李斌,卢大伟,张作鹏. 应用力学学报. 2018(04)
博士论文
[1]蜂窝纸板面内承载与面外抗弯机理及其模型表征[D]. 牟信妮.江南大学 2019
硕士论文
[1]含封边框蜂窝夹芯结构的压缩强度研究[D]. 余开学.南昌大学 2019
[2]多级纳米蜂窝铝的力学性能预测[D]. 赖燕辉.南昌航空大学 2018
[3]多级蜂窝结构的力学性能分析与耐撞性能研究[D]. 徐成龙.湖南大学 2017
[4]蜂窝铝夹芯板的剪切、压缩力学性能研究[D]. 赵旭亚.燕山大学 2016
[5]完井封隔器卡瓦和胶筒力学行为分析及结构优化设计[D]. 陈家元.西安石油大学 2015
[6]蜂窝材料结构的静动力学性能数值仿真[D]. 曹雯议.天津大学 2014
[7]封隔器胶筒性能有限元分析及结构改进[D]. 刘永辉.西南石油大学 2006
本文编号：3040517
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
蜂窝结构模型
第一章绪论7胶筒及传统封隔器胶筒的材料，对两种材料模型的力学性能进行研究，获得坐封载荷对封隔器胶筒压缩距的影响关系，探究坐封载荷对胶筒与套管之间接触应力的影响规律。1.3.2主要技术路线图1-2基于纳米流控系统的封隔器胶筒力学性能研究技术路线图经过文献调研，分析封隔器胶筒的工作条件，提出了基于纳米流控系统的封隔器胶筒力学性能研究。图1-2为本文研究的技术路线图，主要研究三部分内容：（1）纳米流控系统的力学性能研究；（2）蜂窝结构的力学性能分析；（3）传统材料封隔器胶筒及耦合纳米流控系统压力-体积特性的封隔器胶筒力学性能。纳米流控系统力学性能研究主要进行实验测试，将搭建纳米流控系统能量吸收/转换测试实验平台。首先进行纳米流控系统压力-体积实验设计，设计实验台的压力腔体及活塞杆，选取合适的压力传感器，设计其安装位置，进行实验腔体的校核；在封隔器胶筒的实际工况下，筛选出合适孔径的纳米多孔材料，通过一定配比进行纳米流控特性测试，得到纳米流控系统的压力-体积曲线，研究不同加载速率对纳米流控系统渗透压、有效孔体积及功能流体相对流出率的影响规律。蜂窝结构力学性能分析部分，主要借助ANSYSWorkbench软件，进行单个、多个蜂窝晶胞结构的力学性能进行分析，单蜂窝结构高度一定，研究改变径长壁厚比对结构性能的影响；当单蜂窝结构径长壁厚比一定，研究其
擅琢骺?系统压力-体积特性实验，对纳米流控系统进行配方筛选及实验工况设计，从渗透压、有效孔体积及功能流体的流出率三方面分析加载速率对纳米流控系统的影响。2.1纳米流控系统压力-体积特性实验设计纳米流控系统压力-体积特性实验设计主要分为纳米流控系统吸能/转换机理、纳米流控系统压力腔体设计、纳米流控系统压力—体积特性测试方案及纳米流控系统实验数据采集方案四部分。2.1.1纳米流控系统吸能/转换机理纳米流控系统是由纳米多孔材料与非浸润性功能流体通过一定比例混合封装后所构成，用于能量的吸收或转换。如图2-1所示，为封装于密闭容器内的液体和纳米多孔材料在外加载荷作用下的行为示意图。当一个疏水性孔道的直径在纳米级时，需要施加约10~200MPa的外部压力才能使功能流体流入其中。初始状态下，液体不能自发的进入疏水性纳米多孔材料孔道，如图2-1（a）所示。当外界压力增长至大于临界渗透压Pin后，液相的表面张力被突破，液体开始流入纳米孔道中，如图2-1（b）所示。此时，外部机械能部分在渗透过程中被转换成固-液相界面能，部分在输运过程中以热能形式耗散。若组成纳米流控系统的液体和多孔材料相互不浸润，那么在外部机械载荷卸载之后，被压入孔道内的液体会部分或全部流出多孔材料孔道，实现对所存储界面能的释放，这样的系统是可以多次重复使用的，图2-2为纳米流控系统压力-体积变化特性示意图，展示了纳米流控系统一个完整的吸收/转换能量过程。图2-1纳米流控系统在外加载荷作用下的行为示意图（a：液体未进入多孔材料孔道状态；b：液体进入纳米多孔材料状态）
【参考文献】：
期刊论文
[1]244.5mm套管三胶筒隔离封隔器研制[J]. 徐刚,张斌,李进,张启龙,刘鹏. 石油矿场机械. 2020(01)
[2]锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素[J]. 王旱祥,张砚雯,车家琪,刘延鑫,兰文剑,杜明超. 天然气工业. 2020(01)
[3]内凹型蜂窝结构在冲击载荷作用下的力学行为及响应特性研究[J]. 郭亚鑫,袁梦琦,钱新明,赵磊. 中国安全生产科学技术. 2019(12)
[4]面内冲击荷载下半凹角蜂窝的抗冲击特性[J]. 陈鹏,侯秀慧,张凯. 高压物理学报. 2019(06)
[5]新型可降解压裂封隔器胶筒[J]. 张毅,李景卫,杨小涛,张伟,刘晓林,王荫刚. 油气井测试. 2019(02)
[6]基于正交试验的压缩式封隔器胶筒的结构参数优化[J]. 张智,祝效华,许建波. 天然气工业. 2019(03)
[7]多级复合材料蜂窝结构的力学性能[J]. 杨志韬,于国财,刘鑫,张笑瑜,王增贤,吴林志. 复合材料学报. 2019(09)
[8]基于纳米流控系统的超弹套管保护套结构原理与性能试验[J]. 章娅菲,祁珊珊,窦益华. 石油钻探技术. 2018(06)
[9]基于ZSM-5型沸石-水系统的封隔器胶筒材料密封性能研究[J]. 章娅菲,窦益华,罗睿. 润滑与密封. 2018(10)
[10]压缩式封隔器波浪形胶筒力学性能分析[J]. 李斌,卢大伟,张作鹏. 应用力学学报. 2018(04)
博士论文
[1]蜂窝纸板面内承载与面外抗弯机理及其模型表征[D]. 牟信妮.江南大学 2019
硕士论文
[1]含封边框蜂窝夹芯结构的压缩强度研究[D]. 余开学.南昌大学 2019
[2]多级纳米蜂窝铝的力学性能预测[D]. 赖燕辉.南昌航空大学 2018
[3]多级蜂窝结构的力学性能分析与耐撞性能研究[D]. 徐成龙.湖南大学 2017
[4]蜂窝铝夹芯板的剪切、压缩力学性能研究[D]. 赵旭亚.燕山大学 2016
[5]完井封隔器卡瓦和胶筒力学行为分析及结构优化设计[D]. 陈家元.西安石油大学 2015
[6]蜂窝材料结构的静动力学性能数值仿真[D]. 曹雯议.天津大学 2014
[7]封隔器胶筒性能有限元分析及结构改进[D]. 刘永辉.西南石油大学 2006
本文编号：3040517
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