基于納米流控系統(tǒng)的封隔器膠筒材料及其溫變壓變特性

章婭菲，竇益華，祁珊珊

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

引 言

封隔器是油田分層開采工藝過(guò)程中必不可少的井下工具，其關(guān)鍵元件是具有較好彈性和較強(qiáng)密封能力的膠筒。

封隔器的密封性能取決于膠筒和套管間的接觸應(yīng)力的峰值及分布情況[1-4]。李曉芳等[5]采用Yeoh超彈性本構(gòu)模型對(duì)膠筒的接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析。楊秀娟、賈善坡等[6-7]采用罰函數(shù)法，結(jié)合橡膠大變形問題的增量分析過(guò)程，研究了摩擦因數(shù)變化對(duì)接觸壓力的影響規(guī)律。劉巨保等[8]通過(guò)壓縮式封隔器膠筒大變形理論的推導(dǎo)，細(xì)致描述了膠筒壓縮變形過(guò)程?；诖罅康膽?yīng)力分析研究，研究者們提出通過(guò)優(yōu)化封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)[9-11]，如在封隔器膠筒兩端增加“防肩突”裝置[1,12-13]，在膠筒外圍增加紫銅包絡(luò)層[14-15]等方法，有效優(yōu)化封隔器膠筒受力的均布性，從而提高封隔器膠筒的密封性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

封隔器膠筒是非線性彈性材料，其橡膠配方對(duì)材料性能有很大影響，進(jìn)而直接影響封隔器的密封性能。尤其在高溫高壓深井中，溫度及壓力變化引起的封隔器膠筒失效問題更為嚴(yán)重[16]。王海蘭等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了封隔器膠筒在不同壓力和溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及橡膠的壓縮模量等參數(shù)，得到了材料的本構(gòu)關(guān)系模型。張福祥等[18]優(yōu)選具有特殊添加劑的氟橡膠作為裸眼封隔器膠筒材料，膠筒的模壓制作由以前的裹膠方式改為注膠方式，獲得了內(nèi)部組織更致密、粘合力更強(qiáng)的封隔器膠筒。張廣成等[19]對(duì)高密度聚乙烯/天然橡膠材料的力學(xué)性能及拉伸形變回復(fù)率隨溫度的變化進(jìn)行了研究，探討了形狀記憶的原理。童征等[20]開發(fā)了橡膠基增強(qiáng)型熱致形狀記憶復(fù)合材料體系PE-NBR，并通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究評(píng)價(jià)了其性能，所開發(fā)的基于PE-NBR體系的形狀記憶封隔器膠筒穩(wěn)定承壓不低于10 MPa。然而，橡膠基材料制作的封隔器膠筒總是避免不了熱老氧化的問題以及膠筒肩部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，作者將納米流控系統(tǒng)[21-24]與封隔器膠筒的應(yīng)用問題相結(jié)合，提出了一種新型的封隔器膠筒材料?；诩{米流控系統(tǒng)特殊的壓力-體積變化特性，以其為填充物構(gòu)建的新型封隔器膠筒材料，具有良好的耐溫變、抗壓變的能力，可消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，延長(zhǎng)封隔器壽命。且通過(guò)對(duì)納米流控系統(tǒng)配方的調(diào)整，可獲得具有針對(duì)性的、適用于各種復(fù)雜工況的封隔器膠筒材料，大大降低封隔器膠筒失效風(fēng)險(xiǎn)。

1 新型封隔器膠筒材料及其工作原理

當(dāng)一個(gè)疏水性孔道的直徑在納米級(jí)時(shí)，需要施加約10～100 MPa的外部壓力才能使非潤(rùn)濕性液體流入納米孔道當(dāng)中；而當(dāng)外部壓力去除后，液體又將在液固兩相界面斥力的推動(dòng)下自發(fā)地流出納米孔道?；诜墙?rùn)性液體與疏水性納米多孔介質(zhì)封裝后這一特殊性質(zhì)，提出一種基于納米流控系統(tǒng)的封隔器膠筒材料。

圖1所示為基于納米流控系統(tǒng)的封隔器膠筒材料結(jié)構(gòu)示意圖。該膠筒材料由蜂窩狀骨架包覆納米流控系統(tǒng)構(gòu)成。蜂窩骨架是一種仿生學(xué)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的力學(xué)性能[25-26]。已有研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將納米流控系統(tǒng)填充在薄壁不銹鋼管內(nèi)，不銹鋼管+納米流控系統(tǒng)的抗壓能力遠(yuǎn)高于空不銹鋼管的抗壓能力，不銹鋼管+納米流控系統(tǒng)的吸能密度相較于不銹鋼管+水的系統(tǒng)提高了近3倍[27-28]。因此，將納米流控系統(tǒng)和蜂窩結(jié)合在一起，將在增強(qiáng)蜂窩骨架抗剪、承壓能力的基礎(chǔ)上，獲得一種具有納米流控系統(tǒng)獨(dú)特壓變特性的封隔器膠筒材料。

封隔器膠筒材料的蜂窩狀主體骨架結(jié)構(gòu)可采用熱塑性聚氨酯彈性體橡膠TPU制成。制作工藝采用分層注射成型技術(shù)，制作時(shí)，先按照所需骨架結(jié)構(gòu)對(duì)丁晴橡膠進(jìn)行一次沖模，冷卻后在該層填充混合液，再進(jìn)行第二次沖模。如此反復(fù)，沿膠筒軸向分層進(jìn)行多次注射成型與填料過(guò)程，直至形成所需要的封隔器膠筒形狀。

圖1 基于納米流控系統(tǒng)的封隔器膠筒材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram for the packer rubber material structure based on nanofluidic system

為增強(qiáng)封隔器膠筒材料的可靠性及穩(wěn)定性，蜂窩骨架中的蜂窩單胞之間相互聯(lián)結(jié)而不連通，一個(gè)蜂窩單胞破裂或擠毀后，其余單胞內(nèi)的液體感應(yīng)到壓力變化，迅速流入或流出多孔材料孔道，做出自適應(yīng)調(diào)節(jié)，膠筒兩側(cè)可依舊保持緊貼套管與油管，大大減小封隔器膠筒失效風(fēng)險(xiǎn)。另外，由于所述封隔器膠筒材料由多個(gè)小體積封裝納米流控系統(tǒng)組成，納米流控系統(tǒng)實(shí)際上是液固混合物，因此，該新型封隔器膠筒的壓力傳遞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)材料膠筒，膠筒各個(gè)部位受壓后壓力分布相對(duì)均勻，膠筒肩部不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2所示為一個(gè)典型的納米流控系統(tǒng)的壓力位移特性曲線。一個(gè)可用于反復(fù)的能量吸收與釋放的納米流控系統(tǒng)由疏水性納米多孔介質(zhì)與不浸潤(rùn)的液體封裝后構(gòu)成。由于液固兩相相互不浸潤(rùn)，在外壓升高的初期，液體并不能輕易流入納米孔道中。當(dāng)外部壓力增長(zhǎng)至高于臨界滲透壓pin后，液固兩相間的表面張力被突破，液體開始流入納米孔道中，直至填滿多孔介質(zhì)孔道。此階段壓力-體積變化特性曲線上出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，稱其為進(jìn)孔平臺(tái)。納米孔道被填滿后，進(jìn)一步升高外部壓力，系統(tǒng)的壓力-體積特性變化曲線恢復(fù)與初始相同的變化趨勢(shì)。若逐步減小外壓，液體會(huì)在外壓低于納米流控系統(tǒng)的臨界出孔壓力pout時(shí)流出孔道，此時(shí)壓力-體積變化特性曲線上出現(xiàn)另一個(gè)平臺(tái)，稱其為出孔平臺(tái)。

圖2 新型封隔器膠筒材料工作原理Fig.2 Working principle diagram of the packer rubber material

上述進(jìn)孔平臺(tái)期與出孔平臺(tái)期之間即為該種智能彈性膠筒材料的理想工作區(qū)間。臨界滲透壓pin和臨界出孔壓力pout即為所述封隔器膠筒材料的上、下壓力閾值。當(dāng)封隔器膠筒受壓高于上壓力閾值pin后，液體開始進(jìn)入多孔介質(zhì)孔道，借助自身體積的變化來(lái)平衡外界壓力變化，從而使壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。若封隔器膠筒所受壓力減小，納米流控系統(tǒng)內(nèi)液體感受到外界壓變后，會(huì)在液固相界面斥力的作用下流出多孔材料孔道，封隔器膠筒體積增大，保持優(yōu)良的密封性能。

基于熱毛細(xì)對(duì)流效應(yīng)，熱量梯度可以促使液體相進(jìn)入或流出固體相。因此，大多數(shù)液體和固體間的浸潤(rùn)性會(huì)隨溫度變化產(chǎn)生顯著變化。溫度的變化將驅(qū)動(dòng)流體流入或流出納米孔道。另一方面，基于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，當(dāng)溫度變化時(shí)，各相互接觸的材料產(chǎn)生的形變不同，從而導(dǎo)致接觸應(yīng)力的變化，壓力的變化同樣會(huì)引發(fā)流體自發(fā)地流入或流出多孔介質(zhì)孔道，實(shí)現(xiàn)壓力的自適應(yīng)與自調(diào)節(jié)功能。

對(duì)于本文所提出的封隔器膠筒材料，其支撐骨架中蜂窩的幾何尺寸及排布方式也將影響該封隔器膠筒材料的力學(xué)性能。然而，對(duì)此封隔器膠筒材料特殊的壓力-體積變化特性起決定性作用的是其填充介質(zhì)——納米流控系統(tǒng)，蜂窩狀支撐骨架結(jié)構(gòu)尺寸的改變不會(huì)影響該種封隔器膠筒材料的定性結(jié)論。限于篇幅，下文以一種填充介質(zhì)為例，著重介紹該種新型封隔器膠筒材料所具有的獨(dú)特的溫變壓變特性。

2 新型封隔器膠筒材料溫變壓變特性

所述新型封隔器膠筒材料的主要工作介質(zhì)為蜂窩骨架內(nèi)包覆的納米流控系統(tǒng)。本文以MFI型沸石與甘油混合后所構(gòu)成的納米流控系統(tǒng)為例，實(shí)驗(yàn)測(cè)試并分析該配方下封隔器膠筒材料的溫變與壓變特性。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

圖3為納米流控系統(tǒng)壓力-體積特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片。壓力腔體內(nèi)填充介質(zhì)為MFI型沸石與甘油的混合液。實(shí)驗(yàn)采用伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿推動(dòng)不銹鋼桿活塞為壓力腔體加壓或卸壓。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用位移傳感器、 壓力傳感器及溫度傳感器對(duì)活塞桿位移、腔體內(nèi)壓力、腔體內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并用IMP數(shù)據(jù)采集板實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并記錄。壓力腔體整體浸泡在恒溫甘油浴鍋內(nèi)，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)恒溫甘油浴調(diào)控系統(tǒng)溫度。實(shí)驗(yàn)前需對(duì)沸石母樣進(jìn)行600 ℃下恒溫6 h的預(yù)處理。預(yù)處理后，將MFI型沸石與甘油以1∶10的質(zhì)量比混合，再放置于真空環(huán)境中，進(jìn)行12 h的脫氣處理。處理后的混合液填入壓力腔體，開始實(shí)驗(yàn)。

圖3 壓力-位移特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Test device of pressure-volume performance

2.2 新型封隔器膠筒材料溫變壓變特性分析

2.2.1 壓變特性的可重復(fù)性分析

圖4所示為30 ℃環(huán)境溫度下，MFI型沸石-甘油系統(tǒng)十次加載/卸載循環(huán)下的壓力-體積特性曲線。由圖4可見，該系統(tǒng)在前兩次加載/卸載循環(huán)結(jié)束后，卸載線并未回到加載起始的位置，說(shuō)明壓入沸石孔道內(nèi)的甘油并未完全流出孔道，系統(tǒng)的有效孔容積，也即進(jìn)孔平臺(tái)期的有效形變量存在損失。在一個(gè)納米流控系統(tǒng)中，前幾次加載/卸載循環(huán)中，出現(xiàn)該現(xiàn)象是不可避免的。因?yàn)槎嗫撞牧系目椎澜Y(jié)構(gòu)不可能完全規(guī)整，部分缺陷結(jié)構(gòu)會(huì)在高壓下發(fā)生坍塌，造成損失；另外，也會(huì)存在部分液體分子進(jìn)孔后被困在多孔材料的孔道結(jié)構(gòu)中，無(wú)法成功流出，從而造成下一輪循環(huán)中有效孔容積的損失。然而，這些孔容積的損失在經(jīng)歷幾次循環(huán)后就會(huì)穩(wěn)定，不再隨循環(huán)次數(shù)的增加而增多。第四次至第十次的加載卸載壓力-體積變化特性曲線完全重合，說(shuō)明該系統(tǒng)在前三次壓入結(jié)束后吞吐達(dá)到平衡，可重復(fù)用于能量的吸收與釋放。

圖4 MFI型沸石-甘油系統(tǒng)10次循環(huán)加載后的壓力-體積特性曲線(環(huán)境溫度30 ℃，加載速率0.01 mm/s)Fig.4 Pressure-volume characteristic curves of MFI zeolite-glycerol system in 10 loading cycles (environmental temperature is 30 ℃,the loading/unloading rate is 0.01 mm/s)

2.2.2 溫度變化對(duì)壓力閾值和有效形變量的影響

基于上節(jié)分析，由于該系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)處于穩(wěn)定的可重復(fù)工作區(qū)間，下文只取各次實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)達(dá)到吞吐平衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5為MFI型沸石-甘油系統(tǒng)在30 ℃、45 ℃、60 ℃、75 ℃環(huán)境溫度下吞吐平衡后的加載/卸載壓力-位移特性曲線。

圖5 MFI型沸石-甘油系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的加載/卸載壓力-體積特性曲線(加載速率0.01 mm/s)Fig.5 Pressure-volume characteristic curves of the MFI zeolite-glycerol system at different environmental temperatures (loading/unloading rate 0.01 mm/s)

如前所述，對(duì)于納米多孔介質(zhì)與液體的混合液封裝后的系統(tǒng)，當(dāng)外界壓力升高到一定程度后，液體會(huì)突破納米多孔材料孔口的表面張力，進(jìn)入到孔道當(dāng)中去，這一壓力值稱為臨界滲透壓pin，體現(xiàn)在所述智能彈性膠筒材料中，則為該材料吸能層的上壓力閾值。在壓力-體積特性曲線上，液體分子入孔平臺(tái)的長(zhǎng)短實(shí)際上反映了該封隔器膠筒材料在所期望的工作壓力下的形變能力，即有效形變量。壓力閾值與有效形變量是表征封隔器膠筒材料工作性能的重要參數(shù)。從圖5中提取出該系統(tǒng)在各環(huán)境溫度下的壓力閾值與有效形變量，繪制于圖6中。

圖6 MFI型沸石-甘油系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的壓力閾值與有效形變量Fig.6 Pressure threshold and effective deformation quantity of the MFI zeolite-glycerol system at different environmental temperatures

由圖6可見，隨著環(huán)境溫度的提升，MFI型沸石-甘油系統(tǒng)的壓力閾值pin逐漸減小，而其有效形變量逐漸增大。2個(gè)參量在所測(cè)試溫度范圍內(nèi)基本上都隨溫度的變化呈線性變化的趨勢(shì)。系統(tǒng)溫度的提升意味著液體分子具有更高的分子動(dòng)能，只需要較小的外界推動(dòng)就可以克服表面張力的阻礙進(jìn)入多孔材料孔道當(dāng)中，因此壓力閾值隨溫度的增加逐漸降低。同時(shí)，溫度的提升使得液、固分子的運(yùn)動(dòng)更為劇烈，它們之間的相互束縛力變?nèi)?，液體分子被困在孔道結(jié)構(gòu)中的概率變低，可用于承載流入液體分子的有效孔容積便會(huì)隨著溫度的升高而增大，因此系統(tǒng)的有效形變量隨著溫度的升高逐漸增大。

鑒于絕大部分材料都存在熱脹冷縮的性質(zhì)，所述系統(tǒng)的這種類似于“熱縮冷漲”的溫變特性對(duì)于提升封隔器膠筒材料在變溫環(huán)境下的工作性能是非常有利的。若環(huán)境溫度升高，則套管、油管及環(huán)空氣體皆會(huì)膨脹，從而壓迫封隔器膠筒。而所述材料的壓力閾值隨溫度的升高而降低，意味著液體分子會(huì)提前進(jìn)入納米孔道中，平衡外界壓力變化。同時(shí)，所述材料有效形變能力會(huì)隨著溫度的升高而增大，可以更好地吸收其他材料膨脹引起的形變?cè)隽俊７粗?，?dāng)環(huán)境溫度降低，套管、油管及環(huán)空氣體皆會(huì)收縮，所述材料的壓力閾值則會(huì)升高、有效形變量將會(huì)變小，這意味著原本在高溫下進(jìn)入了孔道的液體分子會(huì)由于溫度的降低、系統(tǒng)相間浸潤(rùn)性的改變而被排出孔道，體積增大，從而填補(bǔ)其他材料收縮而引起的間隙增量，保證密封強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1)所設(shè)計(jì)的封隔器膠筒材料利用仿生蜂窩骨架包覆納米流控系統(tǒng)。該封隔器膠筒材料在承受壓變或溫變后，會(huì)隨著外壓的增大/減小，通過(guò)液體自發(fā)流入/流出多孔材料孔道，智能調(diào)節(jié)自身體積變化，平衡壓變。

(2)MFI型沸石-甘油系統(tǒng)在經(jīng)歷初始3次的加載/卸載循環(huán)后，即達(dá)到吞吐平衡，具有良好的可重復(fù)使用性。當(dāng)環(huán)境溫度在25～75 ℃范圍內(nèi)逐漸升高時(shí)，MFI型沸石-甘油系統(tǒng)的壓力閾值pin線性減小，而其有效形變量隨環(huán)境溫度的增加線性增大。所述系統(tǒng)的這種“熱縮冷漲”的溫變特性，有助于提升封隔器膠筒材料在變溫環(huán)境下的工作性能，更有效地密封環(huán)空。

(3)合理調(diào)節(jié)納米流控系統(tǒng)配方，可在較大范圍內(nèi)獲得具有良好抗溫變、抗壓變能力的智能彈性膠筒材料。