作業(yè)井環(huán)空防溢控制系統(tǒng)密封膠芯接觸壓力研究*

王 玥 付海龍 鄒龍慶 馮志鵬 趙 霖

(1. 東北石油大學機械科學與工程學院；2. 大慶油田裝備制造公司)

陸地油田作業(yè)井環(huán)空防溢控制用于內孔投堵條件下起下管柱[1]，即帶壓起下管柱和外圍高壓注水油井不停注作業(yè)施工，其核心技術是通過井控裝置在封井條件下，實現帶壓起下油管(鉆桿)，保證修井與作業(yè)井口的防噴、防溢控制和安全生產。防噴器是井控裝置中的核心設備，其密封能力是環(huán)空防溢控制的關鍵。國外對于帶壓作業(yè)膠芯密封性能的研究文獻較少，國內同行對膠芯尺寸優(yōu)化設計做過一些基礎工作[2,3]。筆者綜合考慮作業(yè)井實際工況、帶壓起下施工工藝和膠芯材料，對其接觸壓力分布規(guī)律進行系統(tǒng)研究，以期為提高膠芯使用壽命、保證環(huán)空防溢控制安全操作提供理論支持。

1 作業(yè)井環(huán)空防溢控制工藝

液壓伺服帶壓過油管防噴器是大慶油田用于解決聚區(qū)作業(yè)井帶壓起下施工的一種新型環(huán)空防溢控制設備[4]。它采用結構簡單的筒形膠件(膠芯)作為主要密封元件，在液壓伺服裝置提供的系統(tǒng)壓力作用下，通過彈性形變形成接觸壓力，達到對不同油管實現動態(tài)密封的目的。防噴器工作時，使用帶液壓泵的蓄能器調節(jié)膠芯環(huán)空壓力，膠芯被壓縮實現運動管柱的密封。當接箍通過膠芯時，被封直徑增大，膠芯被擠外鼓使得油室壓力升高，蓄能器吞入液壓油；接箍通過后，當管柱本體進入密封時，被封直徑減小，油室壓力隨之下降，蓄能器向系統(tǒng)吐出液壓油。被封油管接箍、本體如此交替通過筒形膠芯，在蓄能器的調節(jié)下，膠芯動態(tài)維持了接觸壓力恒定不變，最終實現了環(huán)空帶壓密封前提下的起下作業(yè)。

2 密封膠芯的材料本構模型

針對密封膠芯的分析計算，采用近似不可壓縮的彈性材料Mooney-Rivlin模型，同時需要基于條件假設：橡膠材料不可壓縮且變形前為各向同性；先受拉伸，后疊加截面剪切且服從胡克定律。為此定義各向同性條件[5,6]：

(1)

(2)

(3)

其中，λ1、λ2和λ3分別為3個方向的主伸長率。不可壓縮橡膠材料模型為：

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(4)

其中，C1、C2為力學性能常數。該模型適用于描述變形小于150%的橡膠材料力學性能，同時適用于橡膠應用性能計算。

3 環(huán)空防溢控制系統(tǒng)關鍵部件的有限元模型

如圖1所示為使用COSMOSFloWorks軟件建立的環(huán)空防溢控制系統(tǒng)關鍵部件膠芯-油管裝配有限元模型。由于密封膠芯是通過環(huán)空控制壓力作用對起下油管實現動密封的，為節(jié)約計算成本，提高計算運行效率，簡化了液囊及殼體等次要部件，重點保證膠芯和油管的裝配關系。網格劃分采用實體網格形式，網格要素大小25.61mm，網格公差1.28mm，對接觸部分進行了局部網格加密設置。

圖1 膠芯與密封油管裝配體有限元模型

4 密封膠芯接觸壓力計算

4.1有限元前處理

根據橡膠復合材料特性，膠芯為帶簾線的丁腈橡膠材料，膠芯主體計算采用了超彈性Moony Rivlin材料模型[6～8]，2-1/2′(φ63.5mm)密封油管為線彈性各向同性的Alloy Steel材料模型，具體材料參數列于表1。

表1 計算模型中的材料參數

根據實際工況追加邊界條件：模擬防噴器殼體上、下壓蓋對防噴器殼體兩端面固定，對液囊油室工作面(圓柱面)施加液體壓力，根據防噴器對常規(guī)油管本體或接箍密封工況進行密封接觸壓力計算。

4.2膠芯接觸壓力計算

環(huán)空密封膠芯原設計靜壓14.0MPa，動壓9.0MPa，通過有限元軟件對膠芯體施加環(huán)空控制壓力，并使控制壓力在較大范圍內逐級遞增，完成密封膠芯的非線性計算。

如圖2所示，控制壓力9.0MPa時，密封膠芯內圓柱面中間位置是接觸壓力較大區(qū)域，是實現密封的主要區(qū)域；外圓柱面應力較小。壓縮變形量集中在系統(tǒng)環(huán)空壓力的作用面上；從剖切面看，膠芯外表面壓縮量較內表面的要大。系統(tǒng)控制壓力作用下，膠芯環(huán)向受擠壓，但兩端面受到上下芯頭和防噴器主殼體的約束與限制，同時被密封管柱上下通行過程中管柱壁與膠芯接觸面產生摩擦作用和流體粘吸，導致膠芯在兩端面發(fā)生堆積，軸向出現明顯外鼓，這與現場使用情況一致。膠芯上端面向外鼓脹較為嚴重，下端面因存在井壓作用，堆膠現象反得以削弱。膠芯這種形變通常稱為溢膠，是膠芯破壞的主要形式之一。

圖2 控制壓力9.0MPa時密封膠芯有限元計算云圖

4.3對本體和接箍部分密封時的接觸壓力對比

根據相同控制壓力條件下，膠芯對油管本體和接箍的接觸壓力計算結果，繪制環(huán)空控制壓力和工作面最大接觸壓力關系曲線。圖3為過油管防噴器膠芯在不同控制壓力作用下帶壓密封2-1/2′油管本體和接箍時接觸壓力的計算結果對比曲線。

圖3 膠芯密封2-1/2′油管本體和接箍時接觸壓力對比曲線

在相同控制壓力條件下，膠芯對接箍和本體的密封曲線均表現出明顯的非線性特征，且呈周期性變化；控制壓力在7MPa附近時，接觸壓力達到最大值，表現出較好的密封能力，隨后最大接觸壓力經歷多次波動，在17MPa以后迅速下降趨于最低。這是因為膠芯簾線-橡膠屬于低剛度復合材料，粘彈性特征強，在周期載荷作用下，控制外壓的反復增大和減小使得橡膠材料出現疲勞，同時伴隨較高的熱生成[9]，這種溫度效應使得橡膠表面易產生硬化及龜裂等現象，從而使密封壓力減小，密封質量降低。若繼續(xù)增大控制壓力則容易導致硬度過高，膠芯無法有效填充與油管之間的間隙，最終導致密封失效，井壓發(fā)生泄漏。

針對膠芯端面因環(huán)空壓力產生的端面溢膠現象，研究采用硫化工藝，在兩個端面分別硫化與孔徑相當的防突鐵芯(圖4)，重新投入使用，結果發(fā)現，端面位置的溢膠現象得到有效抑制，延緩了該位置因應力集中極易發(fā)生磨損的問題，并延長了膠芯的使用壽命，從而提高了內孔投堵條件下起下管柱的效率，節(jié)約了生產成本。

圖4 過油管防噴器密封膠芯

5 結論

5.1環(huán)空防溢控制系統(tǒng)是環(huán)空防溢控制技術在大慶油田聚區(qū)作業(yè)井帶壓起下施工過程中的新應用，有效解決了作業(yè)井在內孔投堵條件下起下管柱的問題，滿足聚區(qū)作業(yè)井生產需要。

5.2密封膠芯是主要密封部件，采用簾線-橡膠復合材料，可實現對油管的環(huán)空動密封，具有強度好、耐油、耐磨損的特點。

5.3膠芯對2-1/2′油管環(huán)空密封時，膠芯密封面最大接觸壓力分布具有明顯的非線性特征，對接箍密封的接觸壓力明顯大于對本體的密封接觸壓力；控制壓力在7MPa附近時，接觸壓力達到最大，密封能力最好。

5.4周期載荷反復作用易導致膠芯材料升溫而發(fā)生硬化效應，井液壓力和環(huán)空壓力共同作用，膠芯端面極易溢膠變形，可通過優(yōu)化起下操作工藝和采用增加硫化防突鐵芯的制備工藝解決。

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