壓縮式封隔器膠筒結(jié)構(gòu)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(shè)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(chǎn)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(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響。國內(nèi)外對膠筒的研究主要集中在結(jié)構(gòu)改進、井下工作性能分析、材料改良、膠筒室內(nèi)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(xué)特性的復(fù)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(guān)于封隔器理論研究的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件ABAQUS來模擬膠筒的變形及接觸應(yīng)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(guī)封隔器的結(jié)構(gòu)和不足

常規(guī)封隔器結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般是由3個相同的膠筒組成。國內(nèi)已有很多學(xué)者對其密封性能進行分析研究。眾多研究表明：常規(guī)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(guī)封隔器在結(jié)構(gòu)方面都存在缺陷。

圖1 常規(guī)封隔器的三膠筒結(jié)構(gòu)

2 影響膠筒密封性能的因素

封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(xiàn)“肩突”失穩(wěn)的情況下，峰值接觸壓力越大，膠筒系統(tǒng)所能承受的密封壓差越高。

常規(guī)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(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 常規(guī)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(yīng)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(wěn)；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(yīng)力值12.83 MPa。

圖4 最大接觸應(yīng)力與膠筒高度的關(guān)系曲線

2.2 膠筒厚度

2.2.1 膠筒總厚度對接觸應(yīng)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(jié)果如表1。

表1 膠筒總厚度與接觸應(yīng)力的關(guān)系

從表1得知：膠筒的總厚度對最大接觸應(yīng)力影響很大，在許可條件下應(yīng)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(shè)計總厚度為20.5 mm。

2.2.2 膠筒子厚度與接觸應(yīng)力的關(guān)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(yīng)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(yīng)力值13.95 MPa。綜合以上分析，設(shè)計膠筒的子厚度為8.5mm。

圖5 子厚度與最大接觸應(yīng)力值的關(guān)系曲線

2.3 端面斜角

相關(guān)研究表明：裂痕和殘余變形主要發(fā)生在邊緣應(yīng)力集中區(qū)，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(yīng)力集中區(qū)，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(jīng)發(fā)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(yīng)力與斜角的變化關(guān)系，結(jié)果如表2。

表2 端面斜角與接觸應(yīng)力的關(guān)系

從表2中看出：隨著角度的增大，上膠筒的接觸應(yīng)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(shè)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(shù)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(shù)組合：

表3 材料系數(shù)與接觸應(yīng)力的關(guān)系

膠筒的設(shè)計要保證密封效果最好，其要求是上膠筒的接觸應(yīng)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(shù)選為①，中、下膠筒材料系數(shù)為②時的接觸應(yīng)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(wěn)定。

3 改進型封隔器的結(jié)構(gòu)及密封性能

3.1 結(jié)構(gòu)

改進型封隔器有上、下2個膠筒，結(jié)構(gòu)如圖6所示。在膠筒的外層包絡(luò)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(jié)構(gòu)

圖7 包絡(luò)紫銅的膠筒

3.2 密封性能分析

取常規(guī)等長膠筒封隔器與改進型等長膠筒封隔器2種結(jié)構(gòu)進行密封性能對比分析。其中，膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)是一致的，紫銅的厚度設(shè)為2 mm。坐封壓力30 MPa，接觸應(yīng)力如圖8。

圖8 30 MPa坐封壓力下的接觸應(yīng)力

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

4 膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)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(jù)第2節(jié)的分析結(jié)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(shù)為組合①，下膠筒系數(shù)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(yīng)力是減小的，而在兩端與套管的接觸應(yīng)力是增大的，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在膠筒與套管接觸的兩端上，故其最大接觸應(yīng)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?xí)a(chǎn)生粘滯性，影響膠筒的壽命。綜合考慮，設(shè)計紫銅的厚度為2mm。

圖9 不同厚度下的接觸應(yīng)力值曲線

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

圖10 改進型下膠筒的接觸應(yīng)力對比

從圖10中發(fā)現(xiàn)：在下膠筒中部和兩端，不等長膠筒結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力大于等長膠筒結(jié)構(gòu)中的接觸應(yīng)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(jié)論

1）通過對接觸應(yīng)力值的分析，得到了膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性對密封性能的影響。

2）提出了一種膠筒包絡(luò)紫銅的新型封隔器結(jié)構(gòu)，并選擇紫銅厚度為2mm。

3）經(jīng)過對比分析，不等長膠筒的改進型封隔器結(jié)構(gòu)具有較好的密封性能。

4）膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方法及材料選取需進一步研究。

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