基于超弹性本构模型的实体膨胀套管悬挂橡胶筒锚定作用力学机理研究

Rubber sleeve is one of the key components in Solid Expandable Tubular(SET) technology,to understand anchoring mechanical mechanism of the rubber sleeve is the basis for realization of SET long-term safety in underground service,but also is the necessary condition for further improving the domestic level of SET.At present,there are few understandings about the anchoring mechanical mechanism of the rubber sleeve.Based on the research results before, in this project the mechanical propertiy test of the rubber sleeve will be carried out,and it’s hypperelastic constitutive model will be obtained.By using of theoretical analysis and numerical simulation method the mechanics analysis model of anchoring mechanical mechanism of the rubber sleeve will be establised,analysis the law of stress-strain distributions in the anchoring process,calculate the axial anchoring force.The technology test of anchoring process will be carried out,research the effect of material properties ,structral parameters and process parameters on the anchoring force,and verify the reasonableness of the theoretical model,reveal the anchoring mechanical mechanism of the rubber sleeve.The research results will provide scientifical evidences for the application of rubber sleeve anchoring in the SET technology.

悬挂橡胶筒锚定机构是实体膨胀套管技术成功应用的关键部件之一，弄清实体膨胀管悬挂橡胶筒锚定作用力学机理是实现实体膨胀套管在井下长期安全服役的基础，也是进一步提高该技术国产化水平的必要条件。由于目前针对悬挂橡胶筒锚定作用力学机理的认识还不够深入，本研究拟在前期研究成果的基础上开展实体膨胀套管悬挂橡胶筒材料力学性能实验，拟合出其超弹性本构模型；采用理论分析和有限元数值模拟的方法建立基于橡胶材料超弹性本构模型的实体膨胀套管悬挂橡胶筒锚定作用力学分析模型，研究橡胶筒在锚定作用过程中的应力应变分布规律，计算出橡胶筒的轴向锚定力；开展实体膨胀套管悬挂橡胶筒锚定作用工艺试验，测试膨胀过程中橡胶筒的形变规律，研究锚定机构材料性能参数、结构参数以及工艺参数对锚定力的影响，最后验证力学模型及锚定力计算方法的合理性，从而揭示橡胶筒悬挂机构锚定作用的力学机理。研究成果将为实体膨胀套管橡胶筒悬挂技术应用提供理论依据。

弄清楚实体膨胀套管悬挂橡胶筒锚定力学机理是实体膨胀套管技术成功应用的关键。本研究建立了油气田工况条件下的实体膨胀套管悬挂橡胶筒锚定作用有限元力学分析模型，考虑非线性接触边界条件，弄清楚了悬挂橡胶筒超弹性本构关系模型，阐明了不同材料性能参数、结构参数及工艺参数下的悬挂橡胶筒应力应变特性及接触压力分布变化规律，得到了轴向锚定力的求解方法。研究结果表明：（1）橡胶材料本构关系模型较为符合Mooney-Rivlin模型；（2）橡胶筒推荐壁厚是（1.5-2.0）mm；（3）橡胶筒推荐长度是（150-200）mm；（4）推荐膨胀锥运行速度在（6-9）m/min之间。研究结果将为实体膨胀套管橡胶筒悬挂锚定机构设计提供一定的参考和借鉴。