壓縮式封隔器膠筒結構改進及密封性能分析

劉松，吳靜，董曉明

（1.中國石化勝利油田海洋鉆井公司，山東東營 257000；2.勝利勘查設計研究院有限公司，山東東營 257026）①

封隔器的類型頗多，壓縮式封隔器在我國是主流產品，其工作性能主要取決于膠筒的密封性能，而膠筒的可靠性受其材質、結構等影響。國內外對膠筒的研究主要集中在結構改進、井下工作性能分析、材料改良、膠筒室內試驗研究等方面，取得了一定的成效。但是，由于井下工況的多變性和膠筒力學特性的復雜性，很難得到確切的試驗成果。封隔器的膠筒是橡膠材料，屬于超彈性材料［1］。本文在前人關于封隔器理論研究的基礎上，利用有限元軟件ABAQUS來模擬膠筒的變形及接觸應力［2］，并對改進型封隔器進行分析，以提高封隔器膠筒的密封性能。

1 常規封隔器的結構和不足

常規封隔器結構如圖1所示，一般是由3個相同的膠筒組成。國內已有很多學者對其密封性能進行分析研究。眾多研究表明：常規封隔器的3個膠筒受力變形不均，其中上膠筒起著主要密封作用，而中膠筒和下膠筒的效果不明顯。封隔器的失效主要是由于上膠筒的表層撕裂造成的，這表明了常規封隔器在結構方面都存在缺陷。

圖1 常規封隔器的三膠筒結構

2 影響膠筒密封性能的因素

封隔器膠筒的結構參數如圖2，密封性能可由膠筒與套管之間的峰值接觸壓力值來評價［3］。在膠筒不出現“肩突”失穩的情況下，峰值接觸壓力越大，膠筒系統所能承受的密封壓差越高。

常規封隔器膠筒的有限元模型如圖3所示。其中，封隔器的中心管、膠筒、套管以及所受的載荷均為軸對稱分布，這里采用軸對稱簡化模型［4］。

圖2 膠筒的結構參數

圖3 常規三膠筒有限元模型

2.1 膠筒高度

分析得到不同膠筒高度下的最大接觸應力值，如圖4。研究表明：膠筒的高度和膠筒與套管壁之間的間隙對膠筒密封性能影響很大［5］，當膠筒的高度過長時容易引起失穩；膠筒高度較小時，其承受的坐封壓力很小。由圖4可知，在膠筒高度為85mm時取得最大應力值12.83 MPa。

圖4 最大接觸應力與膠筒高度的關系曲線

2.2 膠筒厚度

2.2.1 膠筒總厚度對接觸應力的影響

改變膠筒的外徑，以改變膠筒的總厚度，但同時保證其密封間隙不變。計算結果如表1。

表1 膠筒總厚度與接觸應力的關系

從表1得知：膠筒的總厚度對最大接觸應力影響很大，在許可條件下應盡力增大膠筒的總厚度；另外，隨著總厚度的增大其軸向壓縮量是遞減的，不利于密封，但變化不大，因此，設計總厚度為20.5 mm。

2.2.2 膠筒子厚度與接觸應力的關系

確定膠筒的總厚度，改變子厚度，得到圖5。從圖中看出：隨著膠筒子厚度的增加，最大接觸應力先緩慢上升而后慢慢減小，變化幅度不大；子厚度在8.5mm 時取得最大接觸應力值13.95 MPa。綜合以上分析，設計膠筒的子厚度為8.5mm。

圖5 子厚度與最大接觸應力值的關系曲線

2.3 端面斜角

相關研究表明：裂痕和殘余變形主要發生在邊緣應力集中區，這是由于端面形狀不合理造成的。端面斜角過大時雖容易坐封，但易有應力集中區，造成變形過大，促使密封元件損壞，以致解封困難。當斜角較小時，壓力不是很大的情況下膠筒已經發生了肩突，這是不允許的。改變膠筒的端面斜角，分析最大接觸應力與斜角的變化關系，結果如表2。

表2 端面斜角與接觸應力的關系

從表2中看出：隨著角度的增大，上膠筒的接觸應力是先增大后減小，在斜角為50°時達到最大值12.1 MPa，其軸向壓縮量也是一直增大的。比較分析，設計膠筒的端面斜角為50°。

2.4 膠筒的材料屬性

封隔器膠筒一般由1個或多個不同硬度的膠筒組合而成。工作膠筒起著主要的密封作用，要求其彈性好；支撐膠筒主要用于防止工作膠筒松弛，其硬度要稍高些。

在ABAQUS軟件中，Mooney－Rivlin模型中的系數C10、C01的值取決于材料的屬性。對膠筒的不同材料組合進行分析，下面是2個常見的系數組合：

表3 材料系數與接觸應力的關系

膠筒的設計要保證密封效果最好，其要求是上膠筒的接觸應力越大越好，中、下膠筒要求密封飽滿較好。從表3中得知：上膠筒的材料系數選為①，中、下膠筒材料系數為②時的接觸應力值最大；同時軸向壓縮量也最大，此時密封充實，有效的接觸長度也較大，有利于封隔器的穩定。

3 改進型封隔器的結構及密封性能

3.1 結構

改進型封隔器有上、下2個膠筒，結構如圖6所示。在膠筒的外層包絡了1層紫銅，如圖7。紫銅的塑性變形沒有橡膠材料的大，故能承受較大的坐封壓力。

圖6 改進型封隔器結構

圖7 包絡紫銅的膠筒

3.2 密封性能分析

取常規等長膠筒封隔器與改進型等長膠筒封隔器2種結構進行密封性能對比分析。其中，膠筒的結構參數是一致的，紫銅的厚度設為2 mm。坐封壓力30 MPa，接觸應力如圖8。

圖8 30 MPa坐封壓力下的接觸應力

從圖8中可以看出：常規封隔器在膠筒中部的接觸應力要稍大于改進型封隔器的接觸應力值；在膠筒的兩端是最大接觸應力處，改進型封隔器的最大接觸應力要明顯大于常規封隔器。改進結構是切實可行的。

4 膠筒結構參數的優選

由以上分析可以得知：膠筒的高度和總厚度對密封性能影響較大；根據第2節的分析結果，選擇膠筒的高度為85 mm，總厚度20.5 mm，子厚度8.5 mm，端面斜角50°，上膠筒材料系數為組合①，下膠筒系數取組合②。下面將分析選擇紫銅的厚度。

由圖9看出：隨著紫銅厚度的增加，在上膠筒的中部其接觸應力是減小的，而在兩端與套管的接觸應力是增大的，最大接觸應力發生在膠筒與套管接觸的兩端上，故其最大接觸應力是隨著紫銅的厚度增加而增大的；但銅的厚度若太大，因其塑性較大，與套管接觸摩擦會產生粘滯性，影響膠筒的壽命。綜合考慮，設計紫銅的厚度為2mm。

圖9 不同厚度下的接觸應力值曲線

在前人研究經驗基礎上，提出了不等長膠筒改進結構，即下膠筒高度選取為75 mm。對比分析2種改進型封隔器結構的密封性能，其上膠筒的接觸應力基本是一致的，差別主要在于下膠筒接觸應力，如圖10所示。

圖10 改進型下膠筒的接觸應力對比

從圖10中發現：在下膠筒中部和兩端，不等長膠筒結構接觸應力大于等長膠筒結構中的接觸應力，由于在低壓時，下膠筒起著主要密封作用，所以不等長膠筒的改進型封隔器的密封性能最好。

5 結論

1）通過對接觸應力值的分析，得到了膠筒結構參數和材料特性對密封性能的影響。

2）提出了一種膠筒包絡紫銅的新型封隔器結構，并選擇紫銅厚度為2mm。

3）經過對比分析，不等長膠筒的改進型封隔器結構具有較好的密封性能。

4）膠筒結構參數的優化方法及材料選取需進一步研究。

［1］趙騰倫.ABAQUS 6.6在機械工程中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007：282－283.

［2］吳建，徐興平，王龍庭，等.常規高壓封隔器密封膠筒力學分析［J］.石油礦場機械，2008，37（6）：39－41.

［3］伍開松，朱鐵軍，侯萬勇，等.膠筒系統接觸有限元優化設計［J］.西南石油學院學報，2006，28（6）：88－90.

［4］周先軍，平利，季公明.封隔器膠筒接觸應力分布有限元計算［J］.鉆采工藝，2002，25（4）：51－53.

［5］劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒參數優化分析［J］.研究探討，2007，3（7）：66－67.