高溫高壓封隔器膠筒密封結構設計*

孫永濤 魏安超 陳宗琦 程文佳 蔡應龍

(1.中海油田服務股份有限公司天津分公司 天津 300450；2.中海石油(中國)有限公司海南分公司工程技術作業中心 海南海口 570300；3.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 新疆烏魯木齊 830000；4.西北工業大學民航學院 陜西西安 710000)

封隔器膠筒承載產生徑向大變形擠壓套管，從而形成接觸壓力封堵油管與套管之間的環形空間，為油井開采提供保障[1]。許多學者針對封隔器設計進行了相關研究。張德彪等[2]分析了防突結構對封隔器密封性能的影響，發現封隔器的防突裝置能夠顯著提高封隔器的密封效果。陳偉等人[3]利用正交設計法綜合分析膠筒的半徑、膠筒與套管壁的接觸面積、膠筒硬度和膠筒長度對封隔器密封性能的影響。劉春雨[4]對封隔器的密封性能及結構設計進行了評判分析，認為封隔器在封隔狀態下，接觸壓力應大于壓差從而保證封隔器能夠有效封隔上下部的壓差。田宗正等[5]針對大擴張比封隔器現場性能試驗問題，對封隔器坐封和密封過程進行了計算分析和試驗測試，為結構設計提供了參考。POLONSKY、TAKAHASHI、HU等[6-8]設計了一種新型抗突結構封隔器，有效改善了封隔器膠筒的受力狀態，提高了現有封隔器的可靠性。隨著有限元技術的發展，一些學者利用有限元仿真技術與實驗相結合的方法分析了封隔器膠筒的變形協調關系和力學行為。羅偉等人[9]利用有限元手段研究了膠筒長度和環境溫度對膠筒與井壁之間接觸壓力的影響，結果表明接觸壓力隨著膠筒的長度增加而增加。張付英等[10]建立了坐封力和密封壓差作用下接觸應力的數值計算模型，確定了膠筒密封性能與結構參數和環境因素之間的關系。呂鳳霞[11]利用有限元手段系統分析了摩擦因數、工作壓力、流體介質溫度、膠筒結構等因素對膠筒力學行為的影響。水浩澈等[12]利用ABAQUS有限元軟件研究了溫度變化對壓裂封隔器膠筒密封性能和疲勞壽命的影響。

目前油井向深井、超深井持續開發，高溫高壓工作井已成為了新的常態。而在高溫高壓環境下，封隔器密封件坐封和密封過程中容易出現肩突、應力松弛等問題，造成密封性能下降甚至完全失效，進而造成巨大的經濟損失。本文作者綜合考慮封隔器膠筒的結構運動、密封條件、結構變形和各組件材料應力水平，通過結構優化和有限元分析，對結構進行區域化補強和再設計，使膠筒密封能力和結構強度滿足井下極端工況要求(0.2 MN壓力坐封和204 ℃環境溫度下70 MPa(10 000 psi)密封壓力)。

1 膠筒結構設計方案

封隔器在井下坐封力作用下的結構整體變形和局部應力狀態，應該滿足所選材料的屈服極限，這樣誘導和控制封隔器的變形成為設計的主要難點。同時橡膠在高溫作用下材料的自身剛度和強度極大地減弱，在軸向坐封力作用下變形量較大，極易發生結構性失穩。各零部件的選材和結構設計不僅需要考慮高溫條件下材料自身強度、剛度(特別是撕裂強度)與大變形條件下的邊緣硬度，同時需要考慮各個部件誘導膠筒充分變形的能力，從而增大或保持接觸壓力，保證封隔器在井下環境具有良好的密封性能。

封隔器的密封能力主要取決于密封元件與套件接觸形成的接觸壓力，只有當接觸壓力不小于工作壓差時，封隔器才能起到密封作用。然而單一密封件封隔器很難滿足高溫高壓等較為復雜工況下的密封要求，而組合密封可以根據不同密封元件性能優勢互補來設計特定的密封元件，使封隔器能夠適應復雜工況。通過設計多材料、多串聯的結構形式，能提高結構整體應力水平的均勻性，防止應力水平過高而造成膠筒破損，同時也能減弱膠筒長時間在極端工況下老化疲勞帶來的性能損失。

圖1所示為設計的新型封隔器結構示意圖。膠筒總成最大外徑206 mm，最小內徑150 mm，試驗套管最大內徑224.4 mm。膠筒上端設計一個40Cr剛性壓環，用于支撐下端的20GrNiMo金屬支撐環和護肩。20GrNiMo材質熱強性較高，在溫度接近500 ℃時其熱強性仍高，能保證封隔器在井下工作時金屬構件具有穩定的性能。在承受軸向坐封載荷和密封壓力時，金屬護肩護環塑性變形與套管貼合產生較大接觸應力，防止膠筒朝油套環形空間滑移，并具有防止膠筒發生肩突的功能；同時金屬護肩在承受密封油壓時充分變形，與套環接觸能夠產生較大的接觸應力，在長時間204 ℃高溫載荷工況下，金屬塑性變形后與套管接觸能夠保持較高的接觸應力，充當次級密封裝置，防止下端PTFE護環和橡膠膠筒產生流動應力狀態擠出套筒，造成密封性能的下降。金屬護肩下端設計了一個PTFE護環，充當結構的緩沖裝置。PTFE剛度介于20GrNiMo和AFLAS90橡膠之間，其能夠誘導下部橡膠膠筒變形，防止膠筒在承受極端載荷時出現失穩而發生結構性破壞；同時，PTFE護環充分變形能夠保護膠筒以避免發生硬性破壞，提高膠筒的使用壽命；此外，PTFE具有良好的致密性和穩定性(耐腐蝕耐高溫)，可以有效預防膠筒在服役過程中發生氣透現象。護環與壓環中間設計了一個PEEK三角環，其硬度高于PTFE而低于剛性壓環，在封隔器工作過程中起填充作用，使結構的間隙能夠充分地被填充，防止PTFE護環過度的變形填充間隙而造成損壞，導致膠筒接觸應力水平下降，影響膠筒密封能力。護環下端是由一個AFLAS90邊膠筒、AFLAS80中膠桶、AFLAS90邊膠筒組合而成的膠筒區域。AFLAS橡膠具有較強的耐腐蝕耐高溫特性，在井下高溫環境下能夠維持較為穩定的性能。高硬度的邊膠筒變形能夠使封隔器上下兩端的接觸壓力處于較高水平，中膠筒中部設計了一個U形槽用于誘導中膠筒充分變形從而獲得更高的接觸應力，提高封隔器的密封能力。

圖1 新型封隔器結構示意(a)及封隔器實體(b)Fig.1 Schematic of a new type of packer structure (a)and its physical structure(b)

2 試驗測試

橡膠試樣的制作參考GB/T 528—2009，試樣結構和尺寸如圖2所示。首先將試樣安裝在204 ℃恒溫箱中，溫度的調節參考GB/T 2941—91。橡膠試樣的測試過程參考GB/T 528—2009，試驗前檢查試樣是否對中，確認無誤后，試驗機以400 mm/min的速率加載，直至試樣斷裂，并記錄數據。測試共進行3組重復性試驗，測試結果如圖3所示。

圖2 試樣結構和尺寸Fig.2 Sample structure and dimensions

圖3 204 ℃下AFLAS90拉伸測試結果Fig.3 AFLAS90 tensile test results at 204°C

封隔器膠筒的測試方法參考API 11D1 V0[13]，首先在常溫下對封隔器施加0.2 MN坐封力，記錄膠筒壓縮距后將膠筒升溫至204 ℃并保溫2 h，然后進行壓力加載。壓力加載進程為：對膠筒下部施加15 MPa環空壓力載荷，待壓力穩定后保壓2 min；持續加壓至25 MPa，并保持壓力穩定2 min；繼續加壓至35 MPa，并保持壓力穩定2 min；繼續加壓至50 MPa，并保持壓力穩定2 min；繼續加壓至60 MPa，并保持壓力穩定2 min；繼續加壓至70 MPa，并穩定壓力120 min。分別記錄不同壓力下穩定后試驗數據，上環無空氣氣泡溢出為合格。接下來泄壓并換向，進行上部環空測試，方法與膠筒下部的測試方法一致，如此循環對封隔器的上部和下部各進行9次循環環空壓力測試。

封隔器試驗前后的形貌如圖4所示，對比可以觀察到封隔器上部和下部金屬支撐環、護肩和PTFE護環有較大的塑性變形，金屬護肩能夠完全包覆PTFE護環，PTFE護環能夠完全包覆邊膠筒。封隔器膠筒向外側擴張，表面能觀察到微小的裂紋和鼓包，測試過程中封隔器膠筒無漏氣現象，設計的膠筒能在204 ℃溫度、70 MPa環空壓力下正常工作。

圖4 封隔器膠筒試驗前后形貌Fig.4 Packer topography before and after test：(a)before test；(b)after test

3 有限元分析

封隔器結構復雜，在實際服役中具有較強的非線性力學行為，利用有限元分析手段，根據真實的承載情況對封隔器的邊界條件和接觸屬性進行設置，能夠定性和定量地分析封隔器的承載情況。

越瓷出現的首要目的是作為日常生活用具，但是隨著人們物質文化生活水平的改善，越瓷組合的出現卻成為人們享受生活美的一種重要形式。

橡膠筒作為封隔器實現密封性能的主要部件，其力學性能對溫度十分敏感，高溫條件下橡膠材料在承載時易發生大變形，其在變形過程中體積幾乎不變。文中采用Yeoh模型[14]描述橡膠材料的力學行為，其應變能函數可以表示為

(1)

式中：N、Ci0、dk為材料常數，由材料實驗所確定。

初始的剪切模量μ=2C10[15]，對于不可壓縮橡膠J=1。文中采用3階的Yeoh模型，可以表示為

W(C)=W(I1，I2，I3)

(2)

其應變能W是由Cauchy-Green變形張量C的不變量I1、I2、I3的函數，即：

(3)

其中：

(4)

式中：I1、I2、I3分別表示第一、第二、第三應變張量不變量；λ1、λ2、λ3分別表示材料3個主方向的伸長比(λi=1+εi，εi表示第i個主方向的應變)。

橡膠材料可以經過大變形而體積保持不變，可以被認為是不可壓縮材料，所以在分析過程中I3=1。忽略第二不變量的影響，其應力狀態可以表示為

(5)

(6)

以上得到了橡膠材料應力與伸長比之間的關系，通過拉伸比與應變的關系，能夠得到橡膠材料在主方向的應力應變關系：

(7)

通過擬合試驗數據即可得到待定的C10、C20、C30，將其作為輸入參數輸入到材料屬性中即可完成對橡膠本構的設定。

文中利用商業軟件ABAQUS針對封隔器在井下工作的承載情況建立接觸有限元模型，如圖5所示。

針對封隔器在0.2 MN軸向力坐封后，密封單元結構在70 MPa壓力下的工作情況進行數值模擬仿真。整個計算過程分為兩步，第一步計算封隔器密封單元在承受0.2 MN軸向力的承載情況；第二步計算封隔器密封單元在承受0.2 MN軸向力坐封的基礎上施加70 MPa的環空液壓。各個零部件之間設置了面對面的剛性接觸，各零部件之間的摩擦因數設置為0.3[16]。同時考慮到封隔器膠筒在承載過程中會產生大變形而造成膠筒自身之間相互侵入，在各個膠筒表面設置了自接觸。模型使用CAX4R網格單元，上部的壓環限制X、Z方向的位移以及X、Y、Z方向的轉動，下部壓環和套筒結構施加固定約束，同時將軸向力載荷施加到壓環上[17]。在施加軸向力坐封封隔器之后，在壓環和支撐環與液壓油接觸的區域施加壓力載荷，壓力載荷分段線性加載。分段線性加載使用ABAQUS-Restart功能反復迭代線性加載的方式施加流體壓力載荷，通過繼承上一步計算的封隔器的變形狀態確定流體壓力載荷的施加區域，如圖6所示。

圖6 加載區域確定及壓力載荷約束設置Fig.6 Loading region determination and pressure load constraint setting

膠筒承受載荷變形后與金屬套管接觸從而產生接觸應力，膠筒變形能力直接影響封隔器的密封能力。圖7 展示了膠筒在承受坐封載荷和密封載荷的變形位移云圖。從圖7(a)中可以看出，膠筒在承受坐封力時最大變形量在96 mm左右，膠筒與金屬護肩完全貼合在金屬套管上，上部護肩支撐環卡死，此時膠筒具有一定的密封能力；但中膠筒中部U形槽未被完全填充，仍有一定間隙，底部金屬支撐環變形但未與壓環完全貼合。在此基礎上施加密封壓力后，如圖7(b)所示，此時膠筒的最大變形量達到130.9 mm，中膠筒U形槽上下開口完全貼合在一起，底部金屬支撐環進一步變形與壓環完全貼合，封隔器各個零部件充分變形完全填充封隔器的內壁和外壁，各零部件之間無明顯的間隙，此時膠筒充分變形擠壓套管從而提高接觸壓力。

圖7 膠筒承受坐封載荷和密封載荷下的變形位移云圖(mm)Fig.7 The deformation and displacement diagram of the rubber cylinder(mm)：(a)0.2 MN setting force；(b)70 MPa sealing pressure

圖8 展示了膠筒的接觸應力分布，可以看出，最大接觸應力位于金屬支撐環與套管接觸區域，幅值為230 MPa左右，支撐環下端金屬護肩和PTFE護環與套管應力的最大接觸應力幅值分別為160和110 MPa左右，遠大于封隔器工作壓差70 MPa，表明封隔器具有較為優良的防突功能，同時金屬結構也能夠充當次級密封裝置。此外，上部邊膠筒與套管的接觸應力幅值在80 MPa左右，大于工作壓差70 MPa，能夠保證封隔器膠筒穩定工作而不發生泄漏。下部膠筒的接觸壓力逐漸減小，中膠筒的最大密封壓力在50 MPa左右，下部邊膠筒的峰值接觸壓力僅為25 MPa左右。

圖8 封隔器接觸應力分布Fig.8 Contact stress distribution of packer

橡膠筒在工作時本身的應力狀態是評價膠筒是否損壞的重要參考指標。橡膠筒在受壓時的應力云圖如圖9所示，橡膠在與上部PTFE護環接觸區域存在局部應力集中，橡膠的最大拉應力不超過8 MPa，最大的壓應力在88 MPa左右，同時膠筒的剪切應力幅值不超過12 MPa。膠筒在充分變形后，中膠筒U形開口槽引導中膠筒充分變形，中膠筒中部開始貼合，上下開口開始相互擠壓造成局部應力集中，相互擠壓造成過高的應力可能導致橡膠撕裂，從而造成膠筒的密封性能減弱，后期設計將考慮在U形槽外添加U形承流環，防止中膠筒中部過度變形而造成橡膠失效。

圖9 204 ℃下封隔器密封條件下橡膠筒應力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of the rubber cylinder under the sealing condition of the packer at 204 ℃：(a)Mises stress；(b) transverse stress S11；(c)axial stress S22；(d)shear stress S12

結合試驗發現所設計的封隔器膠筒在密封過程中膠筒變形承受較大的軸向載荷，金屬支撐環和護肩能夠提供較大的接觸應力防止發生肩突現象。上部邊膠筒與護環接觸的區域存在局部應力集中，且上部邊膠筒承受的接觸應力最大，變形量最嚴重，長期作用于惡劣的井底環境，容易發生疲勞破壞，導致膠筒產生塑性變形無法回彈。中膠筒U形槽區域，在密封壓力載荷下上下開槽相互擠壓產生應力集中，易造成膠筒撕裂導致氣密性下降。

4 結論

根據封隔器密封原理設計一款新型封隔器膠筒結構，并結合橡膠的超彈性本構和有限元分析方法，分析了封隔器在204 ℃溫度、0.2 MN坐封力坐封、70 MPa密封壓力這一較為極端環境下的密封性能。結果表明，設計的封隔器能夠滿足工作需要，膠筒與套管產生的接觸壓力大于工作壓差，能夠保證封隔器穩定工作而不發生泄漏。此外，金屬支撐環和護肩塑性變形貼合套管能夠產生遠大于70 MPa的接觸應力，表明設計的封隔器具有較強的防突性能和密封性能。