整體式卡瓦在橋塞坐封后起到支撐橋塞、鎖定膠筒的作用。針對(duì)其在斷裂過(guò)程中不均勻斷裂而導(dǎo)致的承壓過(guò)程中破壞失效的問(wèn)題,建立了真實(shí)工況下卡瓦斷裂坐封的有限元模型�；趽p傷演化理論中的位移破壞原理和延性損傷準(zhǔn)則中的材料塑性變形疊加原理,首先通過(guò)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)獲得了卡瓦材料的真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù);并將其引入金屬延性損傷和塑性力學(xué)參數(shù)設(shè)置中,成功模擬了卡瓦的斷裂過(guò)程�；谶@種分析方法和卡瓦的斷裂缺陷,對(duì)卡瓦的斷裂形式改進(jìn)后再次分析,整體式卡瓦可均勻裂為三瓣,卡瓦本體應(yīng)力分布明顯降低。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)下,橋塞的封堵效果良好,可穩(wěn)定承載4.5in套管截面受到的50MPa軸向載荷,達(dá)到了實(shí)際坐封要求。整體式卡瓦分瓣斷裂比C字形斷裂承壓能力更高。研究成果對(duì)應(yīng)用有限元法模擬橋塞坐封過(guò)程和整體式卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。 

【文章來(lái)源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2020年04期 第1641-1648+1866頁(yè) 北大核心

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卡瓦一次斷裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料參數(shù)確定

?2金屬斷裂損傷理論基礎(chǔ)2.1損傷演化在ABAQUS中的損傷演化類型分為位移和能量，分別從破壞時(shí)的位移和斷裂能的角度求損傷的演化[12]。對(duì)于位移求損傷變量，其采用類似脆塑性模型的方法；對(duì)于能量方法，通過(guò)斷裂所需的能量求出損傷變量。ABAQUS中的損傷演化是從損傷萌生開(kāi)始算起的，表現(xiàn)為材料剛度的降低。默認(rèn)損傷萌生之前損傷因子為0，材料斷裂時(shí)損傷因子為1。它描述了材料損傷時(shí)的特征應(yīng)力-應(yīng)變行為。在各向同性硬化彈塑性材料中，損傷表現(xiàn)為屈服應(yīng)力軟化和彈性退化兩種形式。圖1中實(shí)線為損傷應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，虛線為無(wú)損傷時(shí)的響應(yīng)。圖1損傷逐步退化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1Stress-straincurvewithprogressivedamagedegradation圖1中y0和pl0為損傷開(kāi)始時(shí)的屈服應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變，plf為破壞時(shí)的等效塑性應(yīng)變；D表示材料屈服之后線性應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的差值，即當(dāng)整體損傷變量達(dá)到D=1時(shí)，整體損傷變量D由單個(gè)損害變量id累積而成。plf的值取決于單元的特征長(zhǎng)度；損傷演化規(guī)律用等效塑性位移plu和斷能fG表示。ABAQUS中包括延性金屬損傷、服從Traction-Separation法則的損傷、纖維增強(qiáng)復(fù)合物的損傷、彈性體損傷。對(duì)于延性金屬損傷，剪切損傷模型用于預(yù)測(cè)剪切帶局部化引起的損傷，F(xiàn)LD、FLSD、MSFLD、M-K損傷都是用于預(yù)測(cè)金屬薄片成型引起的損傷。延性損傷和Johnson-Cook損傷都是一類模型，預(yù)測(cè)由于延性金屬內(nèi)部空隙成核、成長(zhǎng)、集結(jié)引起的損傷。模型假定損傷發(fā)生時(shí)的等效塑性應(yīng)變是三軸應(yīng)力和應(yīng)變率的函數(shù)。該延性準(zhǔn)則由Mises、Johnson-Cook、Hill、Drucker-Prager塑性模

整體式卡瓦的失效形式在油田勘探和開(kāi)發(fā)中，橋塞作為一種井下封堵工具，廣泛用于對(duì)油水井分層壓裂、分層酸化、分層試油施工時(shí)封堵下部井段。圖2為適用于內(nèi)徑114.3mm套管的橋塞結(jié)構(gòu)示意圖，橋塞內(nèi)部的整體式卡瓦在橋塞坐封過(guò)程中斷裂張開(kāi)與套管內(nèi)壁咬合，橋塞坐封完成后，卡瓦起到支撐橋塞、鎖定膠筒的作用。圖2橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Bridgeplugschematicdiagram卡瓦與套管的錨定效果是橋塞坐封成敗的關(guān)鍵，但由于一些其它不可預(yù)知因素(如工具坐封力以及卡瓦斷裂形式)，可能導(dǎo)致橋塞坐封失敗。如圖3所示，下卡瓦在橋塞坐封時(shí)發(fā)生C字形斷裂，卡瓦錨定套管后，C字形開(kāi)口兩側(cè)的卡瓦齒與套管咬痕較深，在軸向載荷作用下，卡瓦在套管出現(xiàn)偏心狀態(tài)。因此，造成沿?cái)嗔衙鎯蛇叺目ㄍ弑倔w集中受力，導(dǎo)致卡瓦前端被撕裂，橋塞坐封失敗。圖3卡瓦失效形式Fig.3Failuremodeofintegralslip3.2整體式卡瓦數(shù)值模擬分析卡瓦的斷裂形式對(duì)其與套管的錨定效果有極大的影響，圖3中卡瓦的斷裂方式并不理想，但如果能通過(guò)仿真模擬還原卡瓦的斷裂過(guò)程，對(duì)后續(xù)卡瓦結(jié)構(gòu)改進(jìn)能否達(dá)到理想的斷裂狀態(tài)，這種研究方法可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。因此，建立了整體式卡瓦一次斷裂有限元分析模型，如圖4所示，本次分析以下卡瓦為研究對(duì)象，為簡(jiǎn)化分析模型，僅保留與下卡瓦相接觸的錐體和隔環(huán)兩個(gè)部件參與分析。圖4卡瓦一次斷裂仿真模型Fig.4Simulationmodelofslipprimaryfracture3.3卡瓦材料參數(shù)確定卡瓦內(nèi)受錐體擠壓后，沿應(yīng)力槽裂開(kāi)，其斷裂形式可理解為拉伸破壞，另外在卡瓦坐封后的承壓階段卡瓦處于軸向拉伸狀態(tài)，其失效形式也是拉伸破壞。為得到準(zhǔn)確的有限元分析結(jié)果，因此進(jìn)行了材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，以

【參考文獻(xiàn)】：
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