壓縮式封隔器密封膠筒有限元分析及改進

葛 松

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070） ①

壓縮式封隔器密封膠筒有限元分析及改進

葛 松

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070）①

針對常規壓縮式封隔器密封膠筒存在的問題，對常規型和改進型封隔器膠筒在不同坐封載荷下的接觸應力進行對比分析，以提高封隔器下井安全性、工作穩定性和密封可靠性。結果表明：改進后的新型壓縮式封隔器膠筒比常規封隔器膠筒具有更高的承壓能力，使管柱的下井安全性能大幅提高，滿足了現場操作需求，提高了下井成功率。

壓縮式封隔器；密封膠筒；有限元分析；改進

目前，國內各油田常用的封隔器主要有擴張式和壓縮式2種類型，且型號很多，結構繁雜。水力壓縮式封隔器的工作原理是通過從油管加壓實現封隔器坐封，坐封后鎖緊，在注水壓力波動或注水井停注

1 常規封隔器膠筒結構設計及承壓分析

以適用套管內徑118～127mm的封隔器為例，對封隔器外徑為115mm的常規封隔器承壓能力進行計算，并假設封隔器坐封載荷、膠筒材料、膠筒壁厚和高度均一致。常規密封件結構如圖1，其承壓工作狀態如圖2。

圖1 密封件結構

圖2 密封件承壓工況

1.1 主要技術參數

膠筒外半徑R156.5mm

膠筒內半徑R043mm

密封套管內半徑R0σ62mm

膠筒高度h 180mm

密封工作壓差Δp 30MPa

膠筒彈性模量E 3.8MPa

泊松比μ 0.5

摩擦因數f 0.3

1.2 承壓計算

115mm封隔器將密封元件壓縮到接觸套管所需的壓縮力為

115mm封隔器膠筒軸向相對變形量為

115mm封隔器在30MPa壓差作用下，為達到密封要求所需的最小壓縮力為

但在實際應用過程中，常規膠筒的壓縮力無論是否達到或超過41.3kN，封隔器密封壓力都達不到30MPa，這是因為常規膠筒沒有端部防突裝置。

1.3 有限元分析

由于邊界條件的復雜性，有限元計算必須將封隔器膠筒、坐封機構、封隔器膠筒內中心管以及與之被分隔的套管作為整體進行分析。封隔器膠筒內中心管以及與之被分隔的套管之間存在擠壓作用，因此封隔器膠筒的有限元分析是包含橡膠材料和金屬材料的接觸問題。因此，本文對封隔器膠筒的有限元分析實際上是對超彈性體進行的非線性接觸分析。

1.3.1 假設條件

1） 忽略井底溫度變化對密封膠筒密封性的影響。

2） 假設封隔器膠筒、套管、中心管、剛性隔環等沒有自重力，而且幾何結構是完全軸對稱的理想模型。

3） 套管、中心管、剛性隔環材料都是45號鋼，由于其彈性模量遠大于橡膠材料，假設其為剛性的。

4） 假設橡膠材料各向同性且是均勻連續的。

1.3.2 模型的建立

常規封隔器系統通常是由3單元膠筒系統組成，如圖3所示。為了收斂起見，通常采用非線性有限元分析軟件Abaqus進行接觸條件及大變形分析，利用軸對稱條件對模型進行簡化。常規封隔器膠筒有2種材料：膠筒為橡膠材料；隔環、中心管、套管為剛性材料。橡膠采用4節點CAX4RH單元劃分網格，其余采用CAX4R劃分網格，有限元分析網格如圖4所示。

圖3 常規封隔器膠筒結構

圖4 常規封隔器膠筒有限元網格

1.3.3 結果分析

軸向載荷為50～100kN時的膠筒變形及Von－Mises應力云圖如圖5所示。

圖5 膠筒變形及Von Mises應力云圖

由圖5可以看出：隨著軸向載荷的增大，軸向壓縮量也增大，開始時壓縮量增大較明顯，當軸向載荷＞80kN時，壓縮量變化較慢，膠筒變形趨于穩定；同時也可以發現，隨著坐封的增大，膠筒與套管接觸長度逐漸增加，膠筒外表柱面部分徑向變形受限制，膠筒內表面變形如外表一樣向外鼓，當載荷增加時膠筒被壓扁并在最后被壓實。另外當軸向載荷＞70 kN時，膠筒出現明顯的肩部突出現象。

2 改進型封隔器膠筒有限元分析

改進后的封隔器結構為上、下2個膠筒，上、下2個膠筒又分別由2個膠筒構成，外層包絡1層紫銅，中間墊1個紫銅片，紫銅厚1.2mm，如圖6所示。改進后的封隔器膠筒由3種材料構成：①膠筒為橡膠材料；②隔環、中心管、套管為剛性材料；③紫銅。橡膠采用4節點CAX4RH單元劃分網格，其余采用CAX4R劃分網格，有限元分析網格如圖7所示。

圖6 改進型封隔器膠筒結構

圖7 改進型封隔器膠筒有限元網格

常規型與改進型封隔器結構上的區別為：常規膠筒為3膠筒結構，而改進型封隔器膠筒為4個，其中端部2個較小，被包絡在1層厚1.2mm的紫銅護罩里面，與中間上、下2個膠筒分別組成1組密封膠筒。根據計算結果，把兩者同一坐封載荷下的接觸應力進行對比，如圖8～13所示。

圖8 50kN坐封載荷常規膠筒與改進膠筒接觸應力對比

圖9 60kN坐封載荷常規膠筒與改進膠筒接觸應力對比

圖10 70kN坐封載荷常規膠筒與改進膠筒接觸應力對比

圖11 80kN坐封載荷常規膠筒與改進膠筒接觸應力對比

圖12 90kN坐封載荷常規膠筒與改進膠筒接觸應力對比

圖13 100kN坐封載荷常規膠筒與改進膠筒接觸應力對比

由圖8～13可以看出，改進型封隔器主要密封作用段的接觸應力明顯大于常規型封隔器的接觸應力，即其密封更可靠，故該改進裝置切實可行。

3 結語

改進后的新型壓縮式封隔器膠筒比常規封隔器膠筒具有更高的承壓能力，由15MPa提高到35MPa。封隔器及管柱坐封安全性增強使管柱的下井安全性能得到提高，滿足了現場操作需求，提高了下井成功率。

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Using FEA to Improve Compressed Packing Rubber Seal

GE Song
（Lanpec Technologies Limited，Lanzhou730070，China）

Aiming at the failure existing in compressed rubber seal packing，the analysis and comparison have been made at the condition of seat load and contact stress for the conventional and improved packing to increase security，stability and reliability during tripping down.The result showed that the improved packing，with compressed rubber seal packing，could hold higher pressure and the security was greatly increased during tripping down to meet the requirement of onsite operation.

compressed packing；sealed rubber cylinder；FEA；improvement

1001－3482（2011）12－0092－04

TE931.2

A

2011－07－15

葛 松（1970－），男，陜西寶雞人，高級工程師，主要從事石油鉆采設備研發及石化裝備生產管理工作，E－mail：ges＠shlanbin.com。時，膠筒始終保持密封狀態［1－12］。封隔器中設計有專門的洗井通道，可實現反洗井工藝，耐壓能力可達到25MPa。存在的主要問題是：封隔器的洗井通道復雜，洗井機構失效嚴重，造成封隔器失效；在出砂井上應用時易砂埋，導致管柱分層失效；封隔器膠筒耐壓力低，不能滿足高壓（＞25MPa）注水需要，失效井多。