防噴盒聚氨酯膠筒密封性能及其主控因素分析*

鄧 琳，馬衛國，曾永鋒，陳 婷，王 力

(1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.中石油江漢機械研究所有限公司，湖北 荊州 434000)

0 引言

防噴盒隔離井筒流體保證作業安全，是實現連續管帶壓作業的關鍵設備。防噴盒密封膠筒通常采用聚氨酯材料制成[1]。聚氨酯材料以良好的機械性能、耐磨和耐油性能成為液壓傳動與控制系統重要的密封件材料[2]。但是，對于密封性能要求較高的深井、高壓氣井，防噴盒密封依然存在不可靠、壽命短的問題。在現場進行作業時，采用2只防噴盒串聯在一起以延長防噴盒膠筒的使用時間，但存在增加重量、井口高度和成本等缺點。

為此，揭示防噴盒膠筒的密封性能，并對影響膠筒密封性能的主控因素進行分析十分必要。國內外學者對此進行了實驗與理論研究。周金衛等[3]根據現場使用情況對比研究CT220防噴盒與M60DS74-5240X防噴盒的最大工作壓力、膠筒的結構、膠筒厚度等，得出M60DS74-5240X防噴盒優于CT220防噴盒的結論；陳澈等[4]對TOT制造的70 MPa側開門防噴盒的失效進行分析，發現主要失效原因；朱兆亮等[5]針對防噴盒膠筒端部應力集中和磨損嚴重的問題，將膠筒表面的幾何形狀優化為鼓型并采用雙膠筒結構，提高了膠筒密封能力；劉遠波等[6]基于膠筒受力分析，改變原適應連續管管徑為φ50.8 mm至φ73 mm防噴盒的加壓方向，以適應φ38.1 mm連續管作業的防噴盒密封；密封膠筒使用相對柔軟的聚氨酯材料，在高壓密封時容易發生磨損或撕裂，因此Andersen等[1]利用實驗測試了高壓井密封的聚氨酯和聚乙烯防噴盒膠筒，經測試各種密封件的壽命、內部材料的完整性以及在高壓和超高壓下的安全性，判定膠筒的密封性能，發現聚乙烯材料在超高壓下的穩定性良好。學者們對用于高壓井的防噴盒密封性能和失效原因展開大量研究，旨在提高連續管防噴盒井口密封的可靠性，但對于在深井、高壓氣井中連續管靜止以及運動狀態時，防噴盒分瓣式半球齒面接觸方式膠筒的密封可靠性分析鮮見報道。

表1 模型尺寸Table 1 Model sizes mm

本文采用有限元方法研究分瓣式半球齒面接觸方式膠筒的密封性能，建立連續管過防噴盒膠筒的有限元模型，對影響防噴盒膠筒密封的主控因素進行探究，為后續優化防噴盒膠筒提供參考。

1 防噴盒膠筒密封原理

1.1 防噴盒膠筒工作原理

防噴盒安裝在注入頭下方，起升和注入連續管時，防噴盒內的膠筒在外部壓力作用下與連續管和上活塞套接觸形成密封，隔離井筒流體保證現場作業安全。側開門防噴盒膠筒密封原理示意如圖1所示，控制壓力油從進油口A注入，推動下活塞，帶動下壓塊上移擠壓膠筒變形使得膠筒與連續管和上活塞套接觸形成密封。在此過程中井筒介質壓力作用在下壓塊端部，輔助膠筒密封；控制壓力油從進油口B進入，推動下活塞下移，使得壓縮變形的膠筒恢復原狀，從而解開密封狀態。控制壓力油從進油口C進入，推動上活塞套向上移動，打開防噴盒，方便更換防噴盒膠筒；控制壓力油從進油口D進入，推動上活塞套下移，關閉防噴盒。

圖1 側開門防噴盒膠筒原理示意Fig.1 Schematic diagram of the packer for side door stripper

1.2 有效接觸應力

膠筒密封面上的有效接觸應力[7-8]是指將膠筒密封面沿軸向(或徑向)劃分為無數條密封線，每條密封線上都存在1個最大接觸應力值，其中某1條密封線上的最大接觸應力值為所有密封線中最小的最大接觸應力值時，選擇此最大接觸應力值作為有效接觸應力，如式(1)所示：

(1)

式中：k為膠筒密封面上的任意1條密封線；i為任意1條密封線上的任意1點；pi為密封線k上i點的接觸應力，MPa；pk為密封線k上的最大接觸應力，MPa；pc為有效接觸應力，MPa。

本文膠筒內壁面、外壁面、嚙合面密封線為軸向線；膠筒底面、頂面密封線為徑向線。有效接觸應力作為衡量膠筒密封性能的評價指標，膠筒密封面上有效接觸應力越大，膠筒的密封性能越好。

2 有限元模型

有限元分析方法具有求解精確和低成本的優點，是密封仿真的主流研究方法。

2.1 幾何模型

基于工程中實際使用的防噴盒的幾何參數，采用SolidWorks軟件與ABAQUS軟件建立膠筒、連續管、上活塞套、上下壓塊的幾何模型，膠筒為2瓣式半球齒面嚙合結構，如圖2所示，模型尺寸如表1所示。

圖2 膠筒網格示意Fig.2 Schematic diagram of the packer grid

2.2 材料性能參數設置

膠筒采用聚氨酯彈性體材料，材料模型選擇Mooney-Rivlin[9-11]模型，如式(2)所示：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(2)

式中：W為應變能函數；I1和I2分別為第1和第2 Green應變不變量；C01和C10分別為系數。

該模型能較好地描述變形小于150%的橡膠材料力學性能，能滿足橡膠材料實際應用的性能計算需求。本文主要討論硬度為75，85，95 HA的聚氨酯膠筒，其Mooney-Rivlin模型參數如表2所示[9-11]。

表2 聚氨酯的Mooney-Rivlin模型參數Table 2 Mooney-Rivlin model parameters of polyurethane

2.3 網格設計

膠筒采用六面體線性C3D8H單元進行網格劃分，連續管、上下壓塊、上活塞套的模型類型為離散剛體，采用R3D4單元進行網格劃分。

2.4 邊界條件與載荷

防噴盒操作系統最大工作壓力為21 MPa，推薦使用工作壓力為8.4 MPa至10.5 MPa[12]。操作系統壓力和井筒介質壓力作用在下壓塊上的載荷在ABAQUS軟件中加載在下壓塊的參考點上。

設置上壓塊、上活塞套的各方向自由度均固定，連續管和下壓塊在Y軸方向移動，其余方向自由度均固定。當起升連續管時，連續管沿Y軸正方向向上運動，大小為256 mm/s；當注入連續管時，連續管沿Y軸負方向向下運動，大小為-256 mm/s[13]。模型接觸對間的摩擦系數設置如表3所示[14-16]。

表3 模型接觸對間的摩擦系數Table 3 Friction coefficient between contact pairs in model

3 有限元分析模型的可靠性

某油田使用的防噴盒聚氨酯膠筒實物如圖3所示，該膠筒通徑為φ38.1 mm，使用于密封井筒壓力不大于70 MPa的作業環境。膠筒為易損件，防噴盒密封狀態下連續管起升或注入時，相對于膠筒向上或向下運動，使用一段時間后的膠筒上下兩端發生明顯磨損導致失效，且在膠筒上端(靠近注入頭一端)磨損更嚴重。結合防噴盒現場應用的工況條件，采用ABAQUS軟件對膠筒進行數值仿真分析。研究連續管在起升、注入以及靜止狀態時對膠筒內壁面Mises應力、接觸應力的影響，仿真參數設置如表4所示。

圖3 膠筒磨損的實物Fig.3 Entity of the packer wearing

表4 參數設置Table 4 Parameters setting

當連續管處于靜止狀態時，膠筒Mises應力分布情況如圖4所示。取路徑S1，研究連續管向上、向下以及靜止狀態時，膠筒內壁面Mises應力分布，如圖5所示。當連續管向上運動時，最大Mises應力位于膠筒內壁頂部；當連續管向下運動或處于靜止狀態時，最大Mises應力均位于膠筒內壁底部。

圖4 連續管處于靜止時膠筒Mises應力云圖Fig.4 Mises stress cloud diagram of the packer when the coiled tubing is not moving

圖5 膠筒在S1路徑上Mises應力的曲線Fig.5 Mises stress curves of the packer on S1 path

當連續管處于靜止狀態時，膠筒接觸應力分布情況如圖6所示，膠筒各密封面均能滿足密封要求。取路徑S1，研究連續管向上、向下、靜止時，膠筒內壁面接觸應力分布，如圖7所示。結果表明，連續管運動對膠筒內壁面接觸應力分布有影響，當連續管向上運動時，膠筒頂部接觸應力值最大，且沿S1路徑自上而下逐漸減小；當連續管向下運動時，膠筒底部接觸應力值最大，且沿S1路徑自上至下逐漸增大；當連續管處于靜止狀態時，膠筒接觸應力分布最為均勻，且均滿足密封要求。

圖6 連續管處于靜止時膠筒接觸應力云圖Fig.6 Contact stress cloud diagram of the packer when coiled tubing was not moving

圖7 膠筒在S1路徑上接觸應力的曲線Fig.7 Contact pressure curves of the packer on S1 path

綜上所述，膠筒內壁面兩端的Mises應力和接觸應力較大，是容易發生疲勞和磨損的部位，這一結論與現場使用失效的膠筒磨損位置基本一致，驗證了有限元分析模型的可靠性。

4 影響膠筒密封性能的主控因素

4.1 井筒介質壓力對膠筒密封性能的影響

分別對下壓塊施加20 MPa至70 MPa的井筒介質壓力，其他參數設置保持不變。研究不同井筒介質壓力對膠筒各密封面密封性能的影響。考慮到連續管的運動狀態會對膠筒密封性能造成影響，研究中對比分析連續管向上、向下運動和靜止時膠筒各密封面的有效接觸應力。連續管在不同運動狀態下膠筒各密封面上的有效接觸應力分別如圖8～10所示，可得井筒介質壓力增大，防噴盒膠筒密封性能增強，且膠筒各密封面有效接觸應力值與連續管運動狀態有關，主要起到密封作用的面為膠筒底面、內壁面、嚙合面。

圖8 連續管向上運動時膠筒各表面有效接觸應力對比Fig.8 Comparison of the effective contact pressure on surfaces of the packer when the coiled tubing moves upward

圖9 連續管向下運動時膠筒各表面有效接觸應力對比Fig.9 Comparison of the effective contact pressure on surfaces of the packer when the coiled tubing moves downward

圖10 連續管處于靜止時膠筒各表面有效接觸應力對比Fig.10 Comparison of effective contact stress on each surface of the packer when coiled tubing was not moving

4.2 摩擦系數對膠筒密封性能的影響

連續管在起升與注入過程中，由于連續管表面的磨損、變形，以及環空中的泥沙與巖屑等情況的干擾，導致膠筒與連續管以及上活塞套之間的摩擦系數較難確定，且采用不同硬度的聚氨酯膠筒時，其對應的摩擦系數隨之改變[14-16]，因此對防噴盒膠筒密封性能與摩擦系數的關系進行研究。設定膠筒與連續管的摩擦系數取值范圍為0.05至0.45，分析膠筒內壁面有效接觸應力與摩擦系數的關系，仿真結果如圖11所示。當連續管運動時摩擦系數對膠筒內壁面有效接觸應力的影響顯著；當連續管靜止時，摩擦系數對膠筒內壁面有效接觸應力幾乎無影響，且均滿足膠筒密封要求。當向上、向下運動的連續管與膠筒內壁面摩擦系數為0.1時，膠筒內壁面有效接觸應力值最大，分別為88.8，85.2 MPa，然后隨著摩擦系數增大膠筒內壁面的有效接觸應力值減小。

圖11 摩擦系數對膠筒內壁面有效接觸應力的影響Fig.11 Influence of friction coefficient on effective contact stress on inner wall of the packer

4.3 膠筒硬度對膠筒密封性能的影響

分別取聚氨酯膠筒硬度為75，85，95 HA，其他參數設置保持不變，分析膠筒硬度對膠筒內壁面有效接觸應力的影響，結果如圖12所示。當連續管處于靜止狀態時，膠筒硬度增大，膠筒內壁面有效接觸應力減小，但僅減小0.9 MPa，膠筒硬度對膠筒內壁面有效接觸應力無明顯影響；當連續管向上運動時，膠筒硬度為85 HA的內壁面有效接觸應力值最大；當連續管向下運動時，膠筒硬度為75 HA的內壁面有效接觸應力值最大；膠筒硬度為95 HA時，無論連續管處于何種運動狀態，膠筒內壁面有效接觸應力值均最小。

圖12 聚氨酯硬度對膠筒內壁面有效接觸應力的影響Fig.12 Influence of polyurethane hardness on effective contact stress on inner wall of the packer

4.4 間隙對膠筒密封性能的影響

改變2瓣式膠筒的內徑，設定膠筒與連續管的間隙范圍為0～4 mm，其他參數設置保持不變。膠筒內壁面有效接觸應力與膠筒和連續管之間的間隙的關系如圖13所示。當連續管處于靜止狀態下，膠筒與連續管的間隙對膠筒內壁面有效接觸應力影響較小；當連續管向上和向下運動，膠筒與連續管的間隙為1.5 mm時，膠筒內壁面有效接觸應力值最大，分別為95.9，90.2 MPa。

圖13 膠筒間隙對膠筒內壁面有效接觸應力的影響Fig.13 Influence of packer gap on effective contact stress on inner wall of the packer

4.5 連續管運動速度對膠筒密封性能的影響

根據實際工況，連續管過防噴盒膠筒的速度會發生變化，為探究連續管運動速度對膠筒內壁面接觸應力的影響，設定連續管沿Y軸方向上、下運動的速度范圍為100～600 mm/s[13]，其他參數設置保持不變。膠筒內壁面有效接觸應力與連續管運動速度的關系如圖14所示，連續管向上運動時膠筒內壁面有效接觸應力一直大于連續管向下運動時膠筒內壁面有效接觸應力。連續管運動速度增大，膠筒內壁面有效接觸應力幾乎無變化，研究結果表明連續管運動速度的大小對膠筒內壁面有效接觸應力幾乎無影響。

圖14 連續管運動速度對膠筒內壁面有效接觸應力的影響Fig.14 Influence of moving speed of coiled tubing on effective contact stress on inner wall of the packer

5 結論

1)膠筒各密封面的密封性能與過防噴盒連續管的運動方向有關，連續管向上運動時膠筒密封性能優于連續管向下運動時膠筒的密封性能，但連續管上、下運動的速度對膠筒密封性能無影響。

2)井筒介質壓力、摩擦系數、膠筒硬度以及膠筒與連續管的間隙對膠筒密封性能影響顯著。井筒介質壓力增大，防噴盒膠筒的密封性能增強，當膠筒硬度為75，85 HA，膠筒與連續管的間隙為1.5 mm、摩擦系數為0.1時，膠筒的密封性能更好。