壓裂封隔器膠筒研制及密封性能模擬試驗分析

王 曉，孔學(xué)云，王俊姬，劉景超，王利軍

壓裂封隔器膠筒研制及密封性能模擬試驗分析

王 曉，孔學(xué)云，王俊姬，劉景超，王利軍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對高壓密封膠筒性能的影響，開展了對一種壓裂工藝使用的能夠密封較高壓差膠筒的研究，并根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)實際工況要求模擬了膠筒幾何尺寸、載荷對膠筒變形以及膠筒和套管接觸應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：膠筒長度和扶正環(huán)寬度的尺寸變化對接觸應(yīng)力影響不明顯，膠筒厚度小范圍的變化對接觸應(yīng)力也不會有明顯影響，但都會顯著影響膠筒變形；隨著扶正環(huán)厚度的增加，膠筒的接觸應(yīng)力增加，而膠筒的變形開始不均勻。進(jìn)行了密封性試驗，膠筒的密封壓力達(dá)到70 MPa，驗證了設(shè)計的合理性。

封隔器；膠筒；接觸壓力；密封性

目前，國內(nèi)常規(guī)低密封壓差膠筒的研究已經(jīng)有很多［1-2］，但是能滿足較高密封壓差的膠筒研究比較少［3］，且對膠筒的分析僅僅進(jìn)行了坐封后的變形和接觸壓力［4-6］，難以對膠筒實際工作時的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估。本文研究了一種能夠密封較高壓差的膠筒結(jié)構(gòu)，并對其實際工況進(jìn)行了模擬，分析了其不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對膠筒密封性的影響，為新型高密封壓差膠筒的研制提供理論支持。

1 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)和工況

圖1為一種壓裂封隔器膠筒結(jié)構(gòu)簡圖，其內(nèi)部有1個梯形凹槽，放置不可變形金屬構(gòu)件。封隔器膠筒的主要結(jié)構(gòu)尺寸為長度、厚度、扶正環(huán)（內(nèi)部凹槽）長度和扶正環(huán)（內(nèi)部凹槽）厚度。因此，研究膠筒4個尺寸因素對膠筒密封性能的影響，以期優(yōu)化設(shè)計并研制出符合工況要求的膠筒。該膠筒使用工況要求：耐溫60°、耐壓69 MPa（10 000 psi）。

圖1　壓裂封隔器膠筒結(jié)構(gòu)

2 影響因素分析

2．1 理論基礎(chǔ)

為滿足膠筒工況要求，膠筒的材料選擇為丁腈橡膠。橡膠為典型的超彈性材料，確定其非線性特性非常困難，但基于應(yīng)變能密度用于大彈性變形的幾種本構(gòu)理論已經(jīng)得到發(fā)展，并已用于超彈性材料。這些本構(gòu)方程主要有2類：第1類認(rèn)為應(yīng)變能密度是主應(yīng)變不變量的多項式函數(shù)，當(dāng)材料不可壓縮時，材料模型通常被稱作Rivlin材料，如果僅一次項被采用，模型被稱為Mooney-Rivilin材料；第2類認(rèn)為應(yīng)變能密度是3個主伸長率的獨立函數(shù)，例如Ogden、Peng和Peng-Landel材料模型［7］。

本文采用的是兩參數(shù)的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，其應(yīng)變能密度函數(shù)為

式中：W為應(yīng)變能密度；I1、I2為第1、第2應(yīng)變不變量；C10、C01為材料系數(shù)，一般通過單軸拉伸試驗測定數(shù)據(jù)并通過計算分析得到。

實際應(yīng)用中橡膠硬度比較容易測得，用下列方法確定橡膠材料系數(shù)比較方便。對于不可壓縮橡膠材料（泊松比接近0．5），其彈性模量E、剪切模量G和材料系數(shù)C10、C01的關(guān)系為

根據(jù)橡膠硬度HS與彈性模量的試驗數(shù)據(jù)擬合得到兩者之間的關(guān)系為

式中：E為彈性模量，MPa。

知道硬度就可以求得彈性模量，只要確定C10、C01的比值，通過式（1）～（3）就可以確定材料系數(shù)C10、C01。

2．2 模型及網(wǎng)格

針對上述結(jié)構(gòu)通過Ansys軟件，建立了一種結(jié)構(gòu)參數(shù)的膠筒有限元模型，如圖2。膠筒和鋼件均采用軸對稱單元PLANE182。

圖2　膠筒結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格模型

2．3 結(jié)果分析

膠筒表面壓力分布如圖3所示。為了模擬封隔器膠筒在正常工況下的變形與密封情況，需要對膠筒的兩側(cè)施加2個力：一個是膠筒的坐封力；另一個力為膠筒兩端密封壓差對膠筒產(chǎn)生的推力。

在坐封力為80 k N、工作壓力為70 MPa的情況下，膠筒與套管之間最大接觸壓力為74 MPa，膠筒最大等效應(yīng)力為54 MPa。

圖3　膠筒表面應(yīng)力分布

3 封隔器膠筒密封性影響因素分析

由上述結(jié)構(gòu)分析可知：影響膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)為膠筒長度、寬度、扶正環(huán)寬度和厚度4個，為了解各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，需要針對這4個參數(shù)建立4組單一變量參數(shù)模型進(jìn)行對比分析。

3．1 膠筒長度

為了研究長度對膠筒密封性的影響，建立其他尺寸都相同、長度不同的封隔器膠筒模型，并施加相同的邊界條件及荷載（工況要求），得到其表面接觸應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4　不同膠筒長度的接觸應(yīng)力分布

由圖4可以看出：隨著膠筒長度的增長，膠筒兩邊的變形越來越不均勻，開始出現(xiàn)一邊的變形量遠(yuǎn)大于另一邊的情況。

接觸壓力隨膠筒長度的變化曲線如圖5所示，可以看出：不同長度膠筒的接觸壓力基本相同，變化不大；但過長的膠筒會影響整體穩(wěn)定性，同時容易損壞。

圖5　接觸壓力隨膠筒長度變化曲線

3．2 膠筒厚度

為了研究膠筒厚度對膠筒密封性的影響，建立其他尺寸都相同、內(nèi)徑不同的封隔器膠筒模型，并施加相同的邊界條件及荷載，來研究不同厚度對膠筒密封性的影響，計算得到其表面接觸應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6　不同厚度膠筒的接觸應(yīng)力分布

由圖6可知：接觸壓力隨著內(nèi)徑減?。z筒厚度增加）而增加，膠筒兩邊的變形越來越均勻。將不同內(nèi)徑的膠筒表面接觸應(yīng)力統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：不同厚度膠筒的接觸壓力基本相同，隨著厚度減?。▋?nèi)徑增加）略微增加。

3．3 膠筒扶正環(huán)長度

為了研究膠筒扶正環(huán)長度對膠筒密封性的影響，建立其他尺寸都相同、內(nèi)部扶正環(huán)長度（膠筒內(nèi)部凹槽）不同的封隔器膠筒模型，并施加相同的邊界條件及荷載，來研究不同長度扶正環(huán)對膠筒密封性的影響，計算得到其表面接觸應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8　不同長度扶正環(huán)膠筒的接觸應(yīng)力分布

由圖8可知：隨著膠筒扶正環(huán)長度的減小，膠筒兩邊的變形越來越不均勻，開始出現(xiàn)一邊的變形量遠(yuǎn)大于另一邊的情況，膠筒變得容易失穩(wěn)。這是因為膠筒的長度沒有變，隨著扶正環(huán)變短，扶正環(huán)兩端的膠筒部分長度逐漸變長，膠筒也因此變得變形不均勻。

不同扶正環(huán)長度膠筒的接觸應(yīng)力變化曲線如圖9所示。膠筒的接觸壓力隨扶正環(huán)長度略有增長，變化不大；但扶正環(huán)的長短會影響膠筒兩端的長度，并最終影響穩(wěn)定性。

圖9　接觸壓力隨扶正環(huán)長度變化

3．4 膠筒扶正環(huán)厚度

為了研究膠筒扶正環(huán)厚度對膠筒密封性的影響，建立其他尺寸都相同、內(nèi)部扶正環(huán)厚度不同的封隔器膠筒模型，并施加相同的邊界條件及荷載，來研究不同厚度扶正環(huán)對膠筒密封性的影響，計算得到膠筒的變形情況及表面接觸應(yīng)力分布如圖10所示。

圖10　不同厚度扶正環(huán)膠筒的接觸應(yīng)力分布

由圖10可以看到：隨著膠筒扶正環(huán)厚度的減小，膠筒兩邊的變形越來越不均勻，開始出現(xiàn)一邊的變形量遠(yuǎn)大于另一邊的情況。

接觸壓力隨扶正環(huán)厚度變化曲線如圖11所示，可以看出：膠筒的接觸壓力隨扶正環(huán)的厚度增加明顯增加；但過厚的扶正環(huán)會使其所在部位膠筒變薄，使膠筒變形極不均勻，同時使膠筒容易損壞。

圖11　接觸壓力隨扶正環(huán)厚度變化

4 試驗與現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述計算分析結(jié)論，對膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并確定了最終尺寸。同時，為了驗證封隔器膠筒的密封壓力能否達(dá)到70 MPa，對加工的膠筒進(jìn)行試驗驗證。

4．1 試驗方案

試驗?zāi)z筒工裝結(jié)構(gòu)及其組裝如圖12～13所示。試驗步驟為：

圖12　膠筒試驗工裝結(jié)構(gòu)

圖13　膠筒及試驗工裝的組裝

1)將裝上膠筒、扶正環(huán)和銅環(huán)的支撐體安裝到試驗工裝上，并上緊。

2)將試驗工裝左側(cè)的接頭連接液壓管線，加壓坐封膠筒。

3)坐封后，將工裝左側(cè)堵頭安裝到工裝上，并上緊。

4)將試驗工裝右側(cè)或中部的接頭連接液壓管線，加壓驗封膠筒。

4．2 試驗結(jié)果

1)第1次膠筒試驗：裝好封隔器后，放入套管，連接試壓管線進(jìn)行坐封，坐封力為81 k N，調(diào)整管線驗封，驗封至73．8 MPa無泄漏，滿足設(shè)計要求。

2)第2次膠筒試驗：裝好封隔器后，放入套管，連接試壓管線進(jìn)行坐封，坐封力為81 k N，調(diào)整管線驗封，驗封至71．7 MPa無泄漏，滿足設(shè)計要求。

不同坐封壓力下膠筒密封壓差如表1所示，可以看出：在81 k N的坐封壓力下，試驗得到的密封壓力73．8 MPa與計算得到的密封壓力74 MPa基本一致，略有偏差。

表1　不同坐封壓力下膠筒密封壓差

2014-02，研制的壓裂封隔器膠筒在鉆采試驗基地試驗井進(jìn)行試驗，在20．7 MPa（3 000 psi）壓力下，膠筒坐封，正加壓驗封壓力48．3 MPa（7 000 psi），壓力不降，封隔器膠筒滿足使用要求。

5 結(jié)論

1)膠筒長度、厚度和扶正環(huán)長度的尺寸變化對接觸應(yīng)力影響不明顯，但會顯著影響膠筒變形。

2)隨著扶正環(huán)厚度的增加，膠筒的接觸應(yīng)力增加，而膠筒的穩(wěn)定性降低，膠筒變形變得不均勻。

3)研制的膠筒在試驗井進(jìn)行密封試驗驗證，膠筒密封性能滿足要求。

［1］Ma Zhongjin，Summing up exporience to improve well contol ability of natural gas well［J］．Drilling＆Production Technology，2004，27（4）：1-5．

［2］江漢石油管理局采油工藝研究所，江漢石油學(xué)院．封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1983．

［3］李維．新型壓縮式耐高溫管外封隔器高溫力學(xué)性能分析［J］．鉆采工藝，2011（6）：63-64．

［4］賈善坡，閆相禎，楊麗．封隔器膠筒大變形摩擦接觸的有限元分析［J］．潤滑與密封，2005（4）：71-74．

［5］季公明．封隔器膠筒接觸應(yīng)力的數(shù)值模擬分析［J］．石油礦場機械，2002，31（5）：46-47．

［6］楊秀娟．液壓封隔器膠筒座封過程數(shù)值分析［J］．石油礦場機械，2005，34（5）：46-47．

［7］王國權(quán)．不同本構(gòu)模型對橡膠制品有限元法適應(yīng)性研究［J］．力學(xué)與實踐，2013（4）：40-47．

Eevelopment and Sealing Performance Simulation Analysis of Fracturing Packer Rubber Tube

WANG Xiao，KONG Xueyun，WANG Junji，LIU Jingchao，WANG Lijun
（Engineering Technology Company，CNCCC Energy Technology&Seruices Limited，Tianjin 300452，China）

To study the impact of structural parameters on the sealing performance of the highpressure tube，and to analyze the impact of geometry and loads on rubber deformation and contact stress，the rubber which was used in fracturing technology to seal high differential pressure was studied．The results showed that the length of rubber and the width of support ring have little impact on contact stress．Small changes in the thickness range of rubber also have little impact on contact stress．But they all have significant impact on rubber deformation．The contact stress increase along with the thickness of support ring，and the rubber deformation began to be uneven．In the sealing experiment，sealing pressure is 70 MPa，verify the rationality of the design．

packer；rubber tube；contact stress；sealing performance

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．018

1001-3482（2015）04-0074-07

2014-10-27

中國海洋石油總公司海油發(fā)展級科研項目（HFKJ-GJ2014005）

王 曉（1986-），男，河南南陽人，碩士，主要從事鉆完井工藝及配套工具研發(fā)工作，E-mail：wangxiao13＠cnooc．com．cn。