鎖環(huán)回退距對(duì)封隔器膠筒密封性能影響研究

杜福云，徐鳳祥，周 歡，程文佳，李良慶，李 越，李 強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

封隔器膠筒作為封隔器的核心部件，其密封性能直接影響封隔器在井下工作的可靠度。目前，針對(duì)封隔器膠筒密封性能研究有很多，大多是集中在通過室內(nèi)密封試驗(yàn)測(cè)試膠筒的密封性能[1]，鎖環(huán)牙型優(yōu)化[2]，膠筒材質(zhì)試驗(yàn)[3]，有限元分析[4-10]或?qū)δz筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[11-17]等。在現(xiàn)場(chǎng)使用及室內(nèi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坐封壓力達(dá)到設(shè)定值后，其壓力無(wú)法一直維持，卸掉坐封載荷后，封隔器的鎖緊機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)一定程度的回退量，因而導(dǎo)致膠筒坐封不實(shí)。該回退距是否對(duì)封隔器密封性能造成一定影響，值得進(jìn)行探討和研究。本文以177.8 mm(7英寸)隔離封隔器膠筒為研究對(duì)象，首次設(shè)計(jì)微位移測(cè)量系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)坐封過程中及卸載后膠筒壓縮距變化，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和ANSYS有限元方法，研究了鎖環(huán)回退距與接觸壓力之間的關(guān)系。

1 鎖緊機(jī)構(gòu)機(jī)理研究

當(dāng)中心管加壓時(shí)，推動(dòng)活塞往前移動(dòng)，剪斷銷釘，實(shí)現(xiàn)完全坐封，此時(shí)依靠鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)中心管卸掉壓力，鎖環(huán)會(huì)出現(xiàn)一定量的回退。本文研究的封隔器采用常規(guī)C型鎖環(huán)鎖緊機(jī)構(gòu)，如圖1所示。通過對(duì)該結(jié)構(gòu)機(jī)理的分析，認(rèn)為影響鎖環(huán)回退主要由鎖環(huán)跳齒和鎖環(huán)坡度引起的回退距2個(gè)因素。

圖1 隔離封隔器

1.1 鎖環(huán)跳齒對(duì)回退距的影響分析

在封隔器坐封過程中，鎖環(huán)會(huì)出現(xiàn)3個(gè)過程：鎖環(huán)前行、鎖環(huán)膨脹、鎖環(huán)收緊，如圖2所示。完成坐封后，撤銷坐封載荷，密封膠筒組有恢復(fù)原來(lái)形狀的趨勢(shì)，這種恢復(fù)力作用在鎖環(huán)上，使得鎖環(huán)與芯軸鎖緊前有一個(gè)瞬時(shí)的回退。針對(duì)鎖環(huán)跳齒而言，這個(gè)回退距離即鎖環(huán)跳齒回退距，由圖2可知，鎖環(huán)相對(duì)芯軸的回退距離不會(huì)超過芯軸上螺紋的螺距P，即鎖環(huán)相對(duì)芯軸的回退距離Lb為0≤Lb≤P。

圖2 鎖環(huán)跳齒過程示意

1.2 鎖環(huán)坡度對(duì)回退距的影響分析

封隔器在完成坐封后，在坐封壓力不卸載的情況下，鎖環(huán)無(wú)回退距；當(dāng)壓力卸載，此時(shí)除了因鎖環(huán)跳齒引起的回退距以外，還需考慮斜坡對(duì)回退距的影響。因密封膠筒組有恢復(fù)原來(lái)形狀的趨勢(shì)，這種恢復(fù)力作用在鎖環(huán)上使得鎖環(huán)與芯軸鎖緊前有一個(gè)瞬時(shí)的回退，直到鎖環(huán)套錐面和鎖環(huán)錐面相接處，如圖3所示。

鎖環(huán)螺紋回退距離L為：

L=b·cotα(b≥h1)

(1)

式中：L為鎖環(huán)螺紋回退距離；b為鎖環(huán)裝配后與鎖環(huán)套的徑向間隙；α為斜面錐角。

圖3 C型鎖緊機(jī)構(gòu)示意

鎖緊機(jī)構(gòu)的回退距離LX等于鎖環(huán)跳齒回退距離Lb與鎖環(huán)螺紋坡度回退距離L之和，即：

LX=Lb+L=b·cotα+Lb
(b≥h1，0≤Lb≤P)

(2)

2 鎖環(huán)回退距對(duì)密封性能影響研究

2.1 鎖環(huán)回退距試驗(yàn)分析

為了在線監(jiān)測(cè)膠筒在坐封過程中，膠筒壓縮距隨坐封載荷變化情況，以及膠筒卸載壓力后封隔器鎖環(huán)鎖緊狀態(tài)，設(shè)計(jì)了微位移測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由位移傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，測(cè)量精度0.01 mm，如圖4所示。

圖4 微位移測(cè)量系統(tǒng)

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，進(jìn)行4組試驗(yàn)，分別施加30、60、90、120、150 kN的坐封力，得到坐封力與坐封距的關(guān)系曲線，如表1、圖5所示。

表1 膠筒組坐封試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值對(duì)比

圖5 試驗(yàn)壓縮距與坐封力關(guān)系曲線

當(dāng)卸掉坐封壓力時(shí)，平均坐封距基本上由原來(lái)的37 mm降至32 mm；鎖環(huán)回退距5 mm左右，與理論計(jì)算值相當(dāng)。此時(shí)相當(dāng)于坐封力90 kN時(shí)的坐封距。回退距存在一定差異，根據(jù)式(2)可知，鎖環(huán)螺紋坡度回彈距離一定，歸其原因在于當(dāng)芯軸牙尖位于鎖環(huán)牙尖60°傾斜面上的位置無(wú)法確定，導(dǎo)致回退距存在一定差異。

2.2 膠筒組仿真分析

根據(jù)第2.1節(jié)可知，當(dāng)壓力卸載后，坐封力相當(dāng)于由150 kN降至90 kN，必須考慮此回退距的影響。采用常規(guī)試驗(yàn)方法，精確驗(yàn)證坐封力對(duì)密封性能影響較困難，故借助仿真軟件進(jìn)行。本文膠筒材料是氫丁腈橡膠，兩邊膠筒的硬度為邵氏硬度80度，中間膠筒的硬度為邵氏硬度70度。本構(gòu)模型采用兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型[11-12]，如表2。

表2 膠筒材料的Mooney-Rivlin模型常數(shù)

膠筒變形如圖6所示，分4個(gè)坐封臺(tái)階逐步施加載荷至150 kN，得到不同坐封力下對(duì)應(yīng)膠筒壓縮距分別為21.1、28.4、32.4、33.2 mm，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。坐封力與接觸壓力的關(guān)系曲線如圖7所示，隨著坐封力的增加，膠筒壓縮距可壓縮量越來(lái)越小，而接觸壓力增幅加大，呈現(xiàn)二次拋物曲線關(guān)系；當(dāng)坐封壓力由150 kN降至90 kN時(shí)，接觸壓力由10.92 MPa降至6.24 MPa，降幅到達(dá)42 %，從而可得坐封距對(duì)膠筒與套管間的接觸壓力有著直接影響。

圖6 不同坐封力下對(duì)膠筒坐封距云圖

圖7 坐封力與接觸壓力的關(guān)系曲線

2.3 回退距對(duì)膠筒密封性能影響

由第2.1節(jié)可知，鎖環(huán)回退距約為5.0 mm，當(dāng)回退距介于0～6.0 mm時(shí)，不同回退距下對(duì)接觸壓力的影響云圖如圖8。基于施加不同坐封距，模擬回退距對(duì)接觸壓力的影響，獲得膠筒與套管間的峰值接觸壓力關(guān)系曲線，如圖9。

二者之間呈現(xiàn)二次拋物曲線關(guān)系，鎖環(huán)回退對(duì)膠筒密封性能影響明顯，鎖環(huán)回退距在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中不容忽視。

圖8 不同回退距對(duì)接觸壓力的影響云圖

圖9 回退距與接觸壓力關(guān)系曲線

3 鎖緊機(jī)構(gòu)改進(jìn)建議

3.1 螺距

減小鎖環(huán)螺距P，芯軸采用雙線或多線螺紋，可減小回退距，保證鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性，從而提高密封可靠性。但需考慮芯軸螺紋剪切強(qiáng)度。

3.2 斜坡錐度

減小鎖環(huán)螺紋坡度回退距離L，可減小鎖緊機(jī)構(gòu)回退距。當(dāng)α=90°時(shí)，L=0。但此時(shí)需考慮芯軸剪切強(qiáng)度，適用于低壓差。另外，也可依靠外力消除回退距離，例如彈簧式斜坡鎖環(huán)，無(wú)需考慮芯軸剪切強(qiáng)度，適用于高壓差。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了微位移測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠筒坐封距及回退距的實(shí)時(shí)測(cè)量。

2) 通過鎖緊機(jī)理進(jìn)行分析，得到回退距為鎖環(huán)跳齒回退距和鎖環(huán)坡度回退距之和，可為鎖環(huán)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論支持。

3) 鎖環(huán)回退距與接觸壓力間呈現(xiàn)線性關(guān)系，鎖環(huán)回退距達(dá)6 mm時(shí)，接觸壓力下降5.3 MPa，降幅48 %，故設(shè)計(jì)時(shí)鎖環(huán)回退距不可忽視。

4) 低壓差封隔器設(shè)計(jì)時(shí)，可采用螺距較小的直臺(tái)階式鎖緊環(huán)；高壓差封隔器設(shè)計(jì)時(shí)，可采用彈簧式斜坡鎖環(huán)，從而減少回退距，保證膠筒密封的可靠性。