溫度變化對壓裂用封隔器膠筒密封性能的影響*

張付英 水浩澈 張玉飛 董城城 李天天 楊俊梅

(1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300222；2.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300222)

封隔器是油氣勘探和開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)坐封和解封最常用的工具[1]，而作為封隔器關(guān)鍵部件的彈性膠筒，其作用是密封套管和油管之間的環(huán)空間隙，對封隔器性能有重要的影響 。膠筒靠徑向膨脹時與套管壁之間產(chǎn)生的接觸壓力起密封作用[2]，因此，膠筒的結(jié)構(gòu)和工況環(huán)境都會影響封隔器的密封性能。

目前，國內(nèi)外對膠筒密封的研究主要集中在膠筒的密封機(jī)制研究[3]、結(jié)構(gòu)改進(jìn)[4]和膠筒的變形分析[5]等方面。文獻(xiàn)[6]研究了某一溫度下膠筒的密封性能，但沒有對不同溫度對膠筒密封性能的影響展開研究。文獻(xiàn)[7-9]在利用有限元方法分析膠筒密封性能時，提到了溫度的影響，但沒有對溫度的影響進(jìn)行具體的研究。文獻(xiàn)[10-11]僅從理論上分析了不同溫度下摩擦因數(shù)對密封作業(yè)的影響。實(shí)際工況下，膠筒在不同溫度下承受軸向載荷的同時，還可能承受不穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)載荷，文獻(xiàn)[13-14]中雖然提到了橡膠柱體發(fā)生扭轉(zhuǎn)的問題，但并未對相關(guān)問題進(jìn)行深入研究。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，封隔器常工作在不同的壓力和井下溫度以及復(fù)雜的環(huán)境下，不可避免地受到較小的扭轉(zhuǎn)載荷作用，因此彈性膠筒的性能既會隨著溫度的變化而變化，同時會隨著不可預(yù)見的扭轉(zhuǎn)載荷作用而發(fā)生變化。本文作者利用ABAQUS軟件建立了封隔器膠筒的有限元模型，通過分析不同溫度下膠筒與套管間的接觸壓力，研究膠筒的密封特性；同時考慮實(shí)際工況中膠筒發(fā)生的扭轉(zhuǎn)，分析溫度對密封性能的影響。

1 膠筒結(jié)構(gòu)及其有限元模型的建立

1.1 膠筒結(jié)構(gòu)及參數(shù)

文中以某型號封隔器的壓縮式密封膠筒為研究對象，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示。其中膠筒高度h為100 mm，膠筒端面傾斜角α為45°。

圖1 膠筒結(jié)構(gòu)

1.2 膠筒的有限元建模

文中的膠筒密封有限元模型由中心管、套管、上下隔環(huán)、膠筒4個元件構(gòu)成，下隔環(huán)施加載荷，膠筒為坐封狀態(tài)，初封受壓載荷為11.85 MPa，工作載荷為58.15 MPa。中心管、套管、上下隔環(huán)的材料為40CrMnMo，密度為7.85 g/cm3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25；膠筒的材料為氫化丁晴橡膠(HNBR)，密度為1 g/cm3，硬度(IRHD)為90，彈性模量為17.33 MPa，泊松比為0.499。

膠筒采用四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱四邊形CAX4RH單元劃分網(wǎng)格，中心管、上下隔環(huán)、套管、支撐環(huán)以CAX4H為單元劃分網(wǎng)格，建立的膠筒二維有限元模型如圖2所示。

圖2 膠筒結(jié)構(gòu)的有限元模型

由于膠筒井下作業(yè)時，處于不同的工作溫度，因此，需要在膠筒有限元模型中，添加與溫度相關(guān)的變量，且考慮膠筒壓縮過程中摩擦所產(chǎn)生的溫度影響[10-11]。最終建立的加入溫度場的膠筒密封三維模型如圖3所示。

圖3 三維膠筒有限元模型

1.3 有限元模型的可行性驗(yàn)證

利用相同的方法建立文獻(xiàn)[12]中的有限元模型，并且根據(jù)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，分析25、100 ℃時膠筒最大接觸應(yīng)力的值，并與文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 文獻(xiàn)結(jié)果與文中計算結(jié)果對比

由表1可以看出，兩者分析結(jié)果基本是一致的，因此文中建立的有限元分析模型具有可行性。

2 溫度對膠筒密封性能的影響

在工作載荷為58.15 MPa，其他條件相同的情況下，改變溫度，分析溫度對膠筒與套管間接觸壓力的影響。文中設(shè)置了6個溫度值，分別是-25、0、25、50、75、100 ℃。通過有限元分析得到的不同溫度下膠筒接觸應(yīng)力與軸向位移之間的關(guān)系如圖4所示，不同溫度下膠筒最大接觸應(yīng)力如圖5所示。

從圖4和圖5可以看出：隨著溫度的升高，膠筒的密封性能逐漸增加；在研究的溫度范圍內(nèi)，-25 ℃時膠筒的密封性能最差，100 ℃時膠筒的密封性能最好。這是由于隨著溫度的升高，膠筒的體積膨脹，增大了膠筒與套管間的接觸應(yīng)力，密封性能也隨之提升。但工作溫度太高，會使膠筒過早出現(xiàn)老化，降低膠筒的使用壽命。氫化丁晴橡膠材料的膠筒在不高于120 ℃溫度下使用時，溫度對其壽命影響不顯著。

圖4 不同溫度下膠筒接觸應(yīng)力與軸向位移之間的關(guān)系

圖5 不同溫度下膠筒最大接觸應(yīng)力

3 溫度變化對膠筒密封性能的影響

封隔器下井作業(yè)時，隨著下井深度的不斷增加，井下溫度往往也會不斷變化，而溫度的變化，會使膠筒的密封性能發(fā)生變化。在工作載荷不變(58.15 MPa)的情況下，文中利用ABAQUS軟件模擬井下作業(yè)時，溫度由低到高和由高到低2種變化情況對膠筒密封性能的影響。

3.1 作業(yè)溫度升高的影響

文中溫度升高的變化設(shè)置了15組：從-25、0、25、50、75 ℃分別升溫到100 ℃；從-25、0、25、50 ℃分別升溫到75 ℃；從-25、0、25 ℃分別升溫到50 ℃；從-25、0 ℃分別升溫到25 ℃。在不同溫度變化范圍內(nèi)，分析膠筒與套管間接觸壓力的變化情況，以及膠筒沿軸向的接觸應(yīng)力變化曲線，分別如圖6—9所示。

圖6 不同溫度升高到100 ℃時軸向位移與接觸應(yīng)力關(guān)系曲線

圖7 不同溫度升高到75 ℃時軸向位移與接觸應(yīng)力關(guān)系曲線

圖8 不同溫度升高到50 ℃時軸向位移與接觸應(yīng)力關(guān)系

圖9 不同溫度升高到25 ℃時軸向位移與接觸應(yīng)力關(guān)系

由圖6—9可以看出：升溫溫差越大，接觸應(yīng)力的增加越明顯，說明膠筒的密封性能將得到提高，這也是由于溫度的升高，增加了材料的體積膨脹；從-25 ℃和0 ℃升溫到各個溫度時，膠筒與套管之間的最大接觸應(yīng)力的變化趨勢大致相同，且兩者之間的接觸應(yīng)力大小沒有明顯差異。

3.2 作業(yè)溫度降低的影響

同樣溫度降低的變化設(shè)置15組：從100、75、50、25、0 ℃分別降低到-25 ℃；從100、75、50、25 ℃分別降低到0 ℃；從100、75、50 ℃分別降低到25 ℃；從100、75 ℃分別降低到50 ℃。在不同溫度降低變化范圍內(nèi)，分析膠筒與套管間接觸壓力的變化情況，以及膠筒沿軸向的接觸應(yīng)力變化曲線，分別如圖10—13所示。

圖10 不同溫度降溫到-25 ℃時膠筒軸向位移與接觸應(yīng)力關(guān)系

圖11 不同溫度降溫到0 ℃時膠筒軸向位移與接觸應(yīng)力的關(guān)系

圖12 不同溫度降溫到25 ℃時膠筒軸向位移與接觸應(yīng)力的關(guān)系

圖13 不同溫度降溫到50 ℃時膠筒軸向位移與接觸應(yīng)力的關(guān)系

從圖10—13可看出：隨著溫度的下降，膠筒的密封性能降低，溫差下降越大，膠筒的密封性能越差，這是由于隨著溫度的降低，膠筒的彈性和變形減小引起的。當(dāng)溫度低于膠筒臨界最低溫度時，膠筒在載荷作用下不再變形，從而失去密封功能。因此，工作溫度向低溫的變化不利于膠筒的密封，降溫梯度越小對膠筒密封性能的影響越小。

3.3 不同溫度變化范圍內(nèi)的最大接觸應(yīng)力

為了比較溫度變化時膠筒最大接觸應(yīng)力的變化情況，建立如表2所示的矩陣表，矩陣的第一列為起始溫度，第一行為終止溫度，矩陣的對角線為在該溫度不變時膠筒的最大接觸應(yīng)力(基準(zhǔn)值)，其他元素中的數(shù)字，表示與該行基準(zhǔn)值的差值，負(fù)號代表比基準(zhǔn)值小，正號表示比基準(zhǔn)值大。顯然，溫升對提高膠筒的密封性能是有利的，但溫度升高會影響膠筒的使用壽命；而溫度降低不利于膠筒的密封。該矩陣對不同環(huán)境溫度下封隔器的實(shí)際作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

表2 恒溫時最大接觸應(yīng)力及溫度變化時最大接觸應(yīng)力的變化值

4 不同扭轉(zhuǎn)載荷下溫度對膠筒密封性能的影響

在實(shí)際工作中，膠筒主要承受軸向工作載荷，但由于不可預(yù)見因素的影響，膠筒不可避免地會受到較小的扭轉(zhuǎn)載荷作用。75 ℃扭轉(zhuǎn)載荷作用下膠筒的變形模型如圖14所示。

圖14 75 ℃下扭轉(zhuǎn)變形膠筒

為了分析不同扭轉(zhuǎn)載荷下，溫度變化對膠筒密封性能的影響，在工作壓差不變的情況下，考慮膠筒在未發(fā)生扭轉(zhuǎn)、2°扭轉(zhuǎn)、4°扭轉(zhuǎn)、6°扭轉(zhuǎn)、8°扭轉(zhuǎn)、10°扭轉(zhuǎn)載荷下，環(huán)境溫度分別為-25、0、25、50、75、100 ℃時，分析膠筒與套管之間的最大接觸應(yīng)力值，如圖15所示。

圖15 不同溫度下膠筒扭轉(zhuǎn)角度與最大接觸應(yīng)力的關(guān)系

由圖15可知，膠筒發(fā)生小角度扭轉(zhuǎn)時，隨著溫度的升高，膠筒與套管之間的最大接觸應(yīng)力增加，有利于密封；但溫度低于0 ℃時，膠筒扭轉(zhuǎn)角在0°～4°之間時密封性能明顯升高，并優(yōu)于溫度為0 ℃時膠筒的密封性能，之后隨著扭轉(zhuǎn)角的增加密封性能急劇下降；扭轉(zhuǎn)角大于8°時，所分析溫度范圍內(nèi)的密封性能都有所降低，說明扭轉(zhuǎn)載荷和溫度都會造成膠筒密封的不穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)工作壓差為58.15 MPa時，隨著溫度的升高，膠筒與套管間的接觸應(yīng)力不斷增加，膠筒的密封性能提高。

(2)在溫度不斷變化的工作環(huán)境中，封隔器的密封性能也會隨之發(fā)生變化，其中升溫可提高膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力，而降溫會使膠筒與套管的接觸應(yīng)力減小。除起始溫度低于0 ℃以外，其余各溫度下升溫的溫差越大，膠筒與套管的最大接觸應(yīng)力增幅越大；降溫的溫差越大，膠筒與套管的接觸應(yīng)力減小幅度越大。

(3)膠筒在0～100 ℃作業(yè)條件下發(fā)生小角度扭轉(zhuǎn)時的密封性能要優(yōu)于未發(fā)生扭轉(zhuǎn)作業(yè)時膠筒的密封性能；在-25 ℃時膠筒作業(yè)扭轉(zhuǎn)4°時密封性能最優(yōu)，之后逐漸下降。