壓縮式封隔器膠筒系統(tǒng)性能測(cè)試

張 毅

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，四川 南充 637000）

壓縮式封隔器膠筒系統(tǒng)性能測(cè)試

張 毅

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，四川 南充 637000）

膠筒系統(tǒng)是壓縮式封隔器的關(guān)鍵部件，在封隔器膠筒系統(tǒng)座封時(shí)，其力學(xué)性能對(duì)密封性具有決定性作用。對(duì)此，必須將膠筒系統(tǒng)各膠筒、隔環(huán)和套管等零部件整體考慮，按封隔器的工作原理設(shè)計(jì)測(cè)試裝置，模擬膠筒系統(tǒng)在井下的工作狀況，研究膠筒系統(tǒng)的性能和失效的因素。試驗(yàn)表明:軸向壓縮過(guò)量，超過(guò)材料的彈性模量會(huì)導(dǎo)致失效；結(jié)構(gòu)突變引起膠筒應(yīng)力集中易產(chǎn)生失效；溫度過(guò)高，橡膠分子鏈斷裂，過(guò)熱氧化老化必然會(huì)失效；微動(dòng)磨損；減壓破壞等工藝過(guò)程也會(huì)引起失效，因此，只有優(yōu)化膠筒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，才能有效地達(dá)到密封效果和防止膠筒失效，才能保障各種井下工藝措施的順利進(jìn)行，對(duì)實(shí)現(xiàn)油氣田合理開(kāi)采，保障正常生產(chǎn)與安全運(yùn)行意義重大。

封隔器；膠筒系統(tǒng)；變形

0 前 言

封隔器是分層開(kāi)采中的重要工具，其結(jié)構(gòu)與性能決定使用效果和成本，基本要求是下的去、封得嚴(yán)、能耐久。即座封或解封動(dòng)作要簡(jiǎn)單，能間接控制、張開(kāi)方便、收縮容易、動(dòng)作準(zhǔn)確，密封可靠、耐高溫與高壓、不怕油與水侵蝕，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試封隔器時(shí)有連續(xù)密封的時(shí)間和適宜的作業(yè)種類要求［1］。

1 應(yīng)變測(cè)試原理

在實(shí)際工程中，我們需要研究構(gòu)件在不同荷載、溫度等條件下，膠筒內(nèi)外部應(yīng)力和變形的分布情況，尤其需要確定危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力和變形，而前面我們提到應(yīng)力不能直接得到，必須通過(guò)在材料彈性范圍內(nèi)測(cè)定其應(yīng)變，然后由廣義虎克定律來(lái)求出應(yīng)力［2］。

將應(yīng)變片（花）粘結(jié)在被測(cè)構(gòu)件的表面，主要用于測(cè)量平面應(yīng)力狀態(tài)下一點(diǎn)的主應(yīng)變和主方向。當(dāng)金屬絲隨構(gòu)件一起變形時(shí)，其電阻值也隨之變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度高，輸出大，橫向效應(yīng)小。

在進(jìn)行電阻應(yīng)變測(cè)試時(shí)，我們通常是將電橋的輸出端與放大器相連，來(lái)構(gòu)成電橋的負(fù)載。由于直流放大器輸入級(jí)阻抗很高，與橋臂阻抗相比，其負(fù)載阻抗可視為無(wú)窮大，所以目前廣泛采用直流放大器。

典型的電橋如圖1所示。

圖 1 直流應(yīng)變電橋

當(dāng)U0=0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，R1R4=R2R3，或如4個(gè)橋臂都是應(yīng)變片，

如圖2所示，隔環(huán)的應(yīng)變是由膠筒的擠壓產(chǎn)生的，膠筒與隔環(huán)的接觸面與水平方向成45 （o），隔環(huán)所受的力可分為軸向力P1和徑向力P2，P1、P2分別作用下隔環(huán)產(chǎn)生軸向變形和環(huán)向變形。

圖 2 隔環(huán)受力示意圖

在隔環(huán)圓周上選取兩個(gè)相互對(duì)稱的位置，分別貼一片90 （o）的應(yīng)變花，其中一片沿隔環(huán)的圓周貼，測(cè)試隔環(huán)的環(huán)向應(yīng)變；另一片應(yīng)變片沿隔環(huán)的軸向，測(cè)試隔環(huán)的軸向應(yīng)變［3］。

壓縮式封隔器膠筒的變形有自由變形和約束變形兩個(gè)階段，膠筒是大變形、非線形材料，在加載過(guò)程中，在自由變形階段的應(yīng)力，膠筒外壁未和套管內(nèi)壁接觸，膠筒只在軸向機(jī)械力作用下發(fā)生變形，在此階段中應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。在約束變形階段，膠筒除了受到軸向載荷的作用，還受套管內(nèi)壁和封隔器中心管對(duì)膠筒約束產(chǎn)生的接觸分布載荷和摩擦力的作用，膠筒的軸向和徑向變形是非均勻的，套管內(nèi)壁與膠筒之間的擠壓力和摩擦力沿軸向均不同，由于膠筒材料為丁腈橡膠，在壓縮載荷作用下膠筒的體積變化，其應(yīng)力分布狀況發(fā)生變化［3-4］。

假設(shè)膠筒在擠壓力P1的作用下，對(duì)套管內(nèi)壁作用區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的壓力為Pi，則摩擦力為fi。由于加載時(shí)各膠筒軸向的滑移不同，膠筒的變形規(guī)律將由于膠筒的排序位置而存在顯著差異，由于有摩擦阻力的存在，每個(gè)膠筒受到的擠壓力是不同的，即：P1＞P2。

套管受到內(nèi)壓和摩擦力的作用，因此在環(huán)向和軸向會(huì)產(chǎn)生變形。內(nèi)壓作用下套管中的應(yīng)力見(jiàn)圖3。

圖3 內(nèi)壓作用下套管中的應(yīng)力

單元體上分別作用有主應(yīng)力σ1及σ2，σ1為由套管內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，σ2由摩擦力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

單元體在σ1方向的應(yīng)變包括兩部分：

由于σ1、σ2作用而分別引起的環(huán)向伸長(zhǎng)：

則在σ1方向的總應(yīng)變?yōu)椋?/p>

同樣可導(dǎo)出單元體σ2方向的總應(yīng)變?yōu)椋?/p>

因此，只須測(cè)得ε1、ε2，即可求出σ1、σ2。

薄壁圓管與厚壁圓管的劃分一般以K=D0/Di=1.2為界，D0和Di分別為圓管外徑和內(nèi)徑。當(dāng)K≤1.2時(shí)為薄壁圓管，K＞1.2時(shí)為厚壁圓管。

如圖3所示，在內(nèi)壓P的作用下，套管在縱截面上將產(chǎn)生沿著圓周的切線（θ方向）的環(huán)向應(yīng)力σ1。對(duì)于薄壁圓筒的應(yīng)力分布，設(shè)應(yīng)力沿壁厚均勻分布，內(nèi)壓作用下套管的環(huán)向應(yīng)力為：

式中 P——內(nèi)壓力，MPa；

D——平均直徑，D=（D0+Di）/2，mm；

t——壁厚，mm。

從此可知，通過(guò)應(yīng)變測(cè)試σ1，再求套管所受的壓力。

2 測(cè)試結(jié)果和分析

通過(guò)分析封隔器以丁腈橡膠材料為基體的膠筒在不同溫度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，膠筒軟化，材料的剛度均呈近似的線性特性，溫度在65 ℃處存在性能逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，可能是氫鍵鍵力改變，或填充橡膠內(nèi)部的炭黑團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與橡膠的相互作用發(fā)生變化等引起的，或者由于炭黑填充，材料近似乎均勻，而炭黑顆粒有較強(qiáng)的吸附作用，形成大量團(tuán)簇，使軟硬相分布不均勻，影響其性能［4］。

通過(guò)對(duì)材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線（應(yīng)變能密度）

式中的σ、ε 符號(hào)含義同前。

圖4自上而下為封隔器橡膠在25，35，45，65，55，75 ℃不同環(huán)境溫度下的加卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖4 不同溫度下的加卸載曲線

遲滯損耗：H =ΔW·WSED

式中 H——遲滯損耗；

ΔW——在加卸載過(guò)程中橡膠的能量（密度）損耗；

WSED ——加載過(guò)程中橡膠應(yīng)變能（密度）。

因橡膠是粘彈性材料，在加卸載過(guò)程中存在較為明顯的遲滯損耗，每一條加卸載曲線均包絡(luò)一定面積，反映出加卸載過(guò)程中因內(nèi)摩擦和細(xì)微損傷等機(jī)制導(dǎo)致的能量損失，遲滯損耗隨溫度升高呈線性下降趨勢(shì)［3］。

3 密封元件失效的內(nèi)因

膠筒在軸向壓縮載荷作用下，其工作面完全和套管壁相接觸，軸向壓縮量達(dá)到或超過(guò)最大值，約束變形最大，密封件和套管內(nèi)壁凸峰接觸，在振動(dòng)中持續(xù)承受剪切作用，膠筒凸絕產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)破損，膠料脫落，密封失效［5］。

丁腈交聯(lián)橡膠密封件的溶脹是動(dòng)態(tài)平衡，石油中的溶劑分子滲入橡膠內(nèi)使體積溶脹，但分子網(wǎng)受到應(yīng)力作用產(chǎn)生彈性收縮，反復(fù)作用橡膠彈性模量下降，盡管壓縮應(yīng)力不變，但密封性能下降。

經(jīng)高溫作用，丁腈橡膠的氧化和老化程度加劇，強(qiáng)度明顯下降，其密封隨溫度的升高加速老化和失效。套管受損傷后，起下封隔器可能使膠筒與套管損傷部位刮碰，出現(xiàn)脫落。氣體因高壓在密封件中的溶解度大，但壓力驟降后，氣體逸出，密封件爆破而失效［4］。

采用壓縮自封結(jié)構(gòu)有肩部保護(hù)裝置和合理的壓縮距，其密封性好，耐壓高，可有效地降低封隔器密封件的應(yīng)力集中，提高和改善膠筒的承壓能力，達(dá)到有效的密封。

4 結(jié) 語(yǔ)

膠筒系統(tǒng)的彈性密封元件決定著封隔器工作的成敗，井下工藝方式的變化導(dǎo)致壓力、溫度等參數(shù)的變化，從而影響封隔器膠筒系統(tǒng)的伸長(zhǎng)或縮短，必須優(yōu)化膠筒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究導(dǎo)致封隔器膠筒過(guò)早解封、錯(cuò)封或漏竄等失效的原因，可有效地保證封隔器的使用效果和壽命。

［1］ 李高升.封隔器卡瓦的強(qiáng)度分析［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2006.

［2］ 楊亮.封隔器膠筒系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.西南石油大學(xué)，2007.

［3］ 李煒，張勁，張士誠(chéng).封隔器超彈性膠筒力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2011，47（8）： 71-76.

［4］ 李旭，竇益華.壓縮式封隔器膠筒變形階段力學(xué)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械. 2007，36（10）：17-19.

［5］ 劉玉文，陳健，田播源.壓縮式封隔器膠筒失效因素分析及措施［J］.科技資訊，2010，（31）：80-82.

The Com pression Type Packer Rubber Tube System Performance Test

ZHANG Yi
（Department of Mechanical and Electrical Engineering Nanchong Professional Technic College，Nanchong，Sichuan 637000，China）

The rubber tube system is a key component of compression packer， the packer rubber sealing system，its mechanical performance， have a decisive role on the effective mechanical seal. In the theoretical study must be considered the rubber tube， rubber tube spacer ring and sleeve parts of the whole， according to the principle of design of testing apparatus for sealing packer， working condition of the oil and gas wells under simulated system performance of rubber tube， rubber tube system and the failure factors. The results show that: the axial compression excess， more than the elastic modulus of the material， w ill result in failure； structural mutations cause rubber cylinder stress concentration， prone to failure； the temperature is too high， the rubber molecular chains break， heat oxidation，aging is bound to fail； fretting wear； decompression failure process can also cause failure， therefore， only the structure optimization the rubber tube system， can effectively achieve the effect of sealing， prevent glue tube failure， in order to protect various downhole process smoothly， to realize the reasonable exploitation of oil and gas felds， to guarantee the normal production and safe operation， meaning great.

Packer；Packer system；Deform ing

F249.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.047

2016-08-08

張毅（1973-），男，四川南充人，講師，研究方向：機(jī)械制造，手機(jī)：13980308007，E-mail：nzyzhangyi@163.com.