新型防突機(jī)構(gòu)對封隔器膠筒密封性能影響研究

潘 波，伍 偉，黎德才，羅 豪

（1.西南石油大學(xué)南充校區(qū)工程訓(xùn)練中心，四川 南充 637001；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；3.西南石油大學(xué)工程學(xué)院，四川 南充 637001）

1 引言

封隔器是油氣井下開采的重要分層封隔工具[1]。以壓縮式為主的封隔器主要依靠密封元件膠筒在軸向載荷下，發(fā)生徑向膨脹，使膠筒與套管相互作用產(chǎn)生足夠大的接觸應(yīng)力，密封油套環(huán)空，從而達(dá)到封隔產(chǎn)層以及防止層間流體和壓力相互擾動等作用[2]。軸向載荷足夠大時，膠筒端部會從封隔器和套管間隙中擠出產(chǎn)生“肩突”現(xiàn)象，膠筒易被撕裂損壞，降低封隔器的密封性能。為此，合理的防突機(jī)構(gòu)有助于保證封隔器膠筒的密封性和完整性。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對封隔器膠筒防突問題提出了多種防突機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)[3]提出整體傘形保護(hù)環(huán)防突機(jī)構(gòu)，分析了傘形保護(hù)環(huán)對膠筒突出變形的影響；文獻(xiàn)[4]將金屬圓環(huán)安裝在封隔器的錐形底座上，起到防突的效果；文獻(xiàn)[5]設(shè)計了可分離防突環(huán)結(jié)構(gòu)的防突機(jī)構(gòu)，有效提高了膠筒的接觸應(yīng)力。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種蝸形狀防突裝置和傘式防突裝置，分析了對膠筒封隔性能的影響；由于這些防突機(jī)構(gòu)均置于膠筒外部，受環(huán)空砂礫等雜質(zhì)影響易失效[7]，并且膠筒與防突機(jī)構(gòu)末端接觸位置容易應(yīng)力集中，防突機(jī)構(gòu)沒有起到最佳效果。

為了進(jìn)一步提高防突機(jī)構(gòu)可靠性，在膠筒兩端內(nèi)部采用冷硫化膠粘劑硫化“O”形圓環(huán)截面的金屬骨架作為膠筒的防突機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行膠筒橡膠材料本構(gòu)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了封隔器密封機(jī)構(gòu)的仿真模型，開展防突機(jī)構(gòu)安裝位置和形狀大小對封隔器膠筒密封性能的影響規(guī)律研究，防突機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對改善封隔器的密封性能具有重要意義。

2 橡膠本構(gòu)理論

封隔器膠筒材料由氫化丁腈橡膠制成，具有超彈性。描述橡膠材料超彈性的方法主要分為兩大類：一類是基于熱力統(tǒng)計學(xué)的方法，包括Arruda-Boyce 模型、Van der Waals 模型，另一類是基于橡膠為連續(xù)介質(zhì)的唯象學(xué)描述方法，包括Polynomial 模型、Ogden 模型[8]。

Arruda-Boyce 形式[9]應(yīng)變能密度函數(shù)：

采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橡膠材料的單軸拉伸和單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，將得到的氫化丁腈橡膠應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行擬合，擬合曲線，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與本構(gòu)模型擬合曲線Fig.1 The Fitting Curves of Experimental Data and Constitutive Models

優(yōu)選精度最高的二階減縮多項(xiàng)式模型，材料的參數(shù)為C10=0.869147222，C20=2.916611649E-03。

3 封隔器有限元模型建立

封隔器的幾何結(jié)構(gòu)及所受約束和載荷是軸對稱的，為縮短計算成本，對封隔器模型進(jìn)行二維簡化，把套管、中心管和下隔環(huán)完全固定，為比較封隔器膠筒在不同坐封載荷下的密封性能差異，在上支撐環(huán)表面依次施加（20～40）MPa 的階梯載荷。膠筒和套管、中心管及隔環(huán)之間的摩擦因數(shù)為0.3，隔環(huán)與中心管之間摩擦系數(shù)為0.1。膠筒網(wǎng)格采用CAX4RH 單元，其余部件采用CAX4單元劃分網(wǎng)格，常規(guī)和新型封隔器網(wǎng)格模型分別，如圖2 所示。除膠筒外，其余部件的材料參數(shù)，如表1 所示。

圖2 封隔器有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Finite Element Mesh Model of Packer

表1 封隔器模型材料力學(xué)參數(shù)Tab.1 Material Mechanical Parameters of Packer Model

4 防突機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

為避免膠筒肩突現(xiàn)象的產(chǎn)生，通過采用冷硫化膠粘劑在膠筒內(nèi)部硫化的“O”形圓環(huán)截面的金屬骨架，以增強(qiáng)膠筒的局部剛度，減少膠筒的擠出量，避免膠筒在上下端部發(fā)生“肩突”現(xiàn)象，改善封隔器膠筒的密封性能，如圖3 所示。骨架材質(zhì)選用06Cr19-Ni10 合金鋼，彈性模量210GPa，泊松比為0.3，外半徑為R=5mm，內(nèi)半徑r=4mm。

圖3 防突機(jī)構(gòu)二維模型Fig.3 Two-Dimensional Model of Anti-Extrusion Device

式中：S1=S2—防突機(jī)構(gòu)距端面距離；R—金屬骨架外徑；r—金屬骨架內(nèi)徑

4.1 金屬骨架距端面距離影響

分別設(shè)定骨架距端面距離分別為0mm，0.5mm，1mm，1.5mm，以坐封載荷為40MPa 為例，得到沿套管路徑的接觸應(yīng)力曲線，如圖4 所示。不同骨架位置套管的接觸應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，最大接觸應(yīng)力主要集中在膠筒與套管接觸的上部，沿著軸向路徑逐漸降低。當(dāng)金屬骨架距端面的距離逐漸增大時，膠筒與套管間的接觸應(yīng)力逐漸降低。膠筒在不同坐封載荷下的最大接觸應(yīng)力曲線，如圖5 所示。隨著坐封載荷的增大，接觸應(yīng)力基本呈線性增加，但同等坐封載荷下，距端面越近，膠筒的接觸應(yīng)力越大，即S=0mm 時最大，其余三個位置相對下降了5.56%、6.72%、9.18%。坐封載荷40MPa 時不同金屬骨架位置膠筒的Mises 應(yīng)力云圖及不同坐封載荷下膠筒的最大Mises 應(yīng)力曲線分別，如圖6、圖7 所示?？梢钥闯瞿z筒的應(yīng)力分布大致相同，最大Mises 應(yīng)力出現(xiàn)在金屬骨架與橡膠接觸位置處，加入金屬骨架后，膠筒均未出現(xiàn)“肩部突出”現(xiàn)象，隨著坐封載荷的增加，金屬骨架硫化在膠筒內(nèi)部的膠筒結(jié)構(gòu)Mises 呈線性增加，40MPa 時，金屬骨架與膠筒端面距離為0 時會使膠筒的Mises 應(yīng)力顯著增大，當(dāng)金屬骨架距端面距離為0.5mm 時，膠筒的Mises 應(yīng)力最小，此時膠筒更安全可靠。

圖4 不同骨架位置膠筒沿套管路徑的接觸應(yīng)力曲線Fig.4 Contact Stress Curves of Rubber Along Casing Path with Different Skeleton Positions

圖5 不同骨架位置膠筒的最大接觸應(yīng)力曲線Fig.5 Maximum Contact Stress Curves of Rubber Along Casing Path with Different Skeleton Positions

圖6 不同骨架位置膠筒的Mises 應(yīng)力云圖Fig.6 Maximum Mises Stress Nephograms of Rubber with Different Skeleton Positions

圖7 不同骨架位置膠筒的最大Mises 應(yīng)力曲線Fig.7 Maximum Mises Stress Curves of Rubber with Different Skeleton Positions

故金屬骨架距端面距離S=0.5mm 時，接觸應(yīng)力基本不變，而膠筒的安全性也得到了顯著提高，所以后續(xù)研究金屬骨架內(nèi)徑對膠筒密封性能的影響時，設(shè)定金屬骨架距端面距離S=0.5mm。

4.2 金屬骨架內(nèi)徑影響

為研究骨架內(nèi)徑對封隔器密封性能影響，取骨架內(nèi)徑分別為3mm，3.5mm，4mm，4.5mm，以坐封載荷為40MPa 為例，得到沿路徑的接觸應(yīng)力曲線圖，如圖8 所示。可以看出不同金屬骨架內(nèi)徑的膠筒與套管接觸的面積基本相同；隨著金屬骨架內(nèi)半徑增大，接觸面的接觸應(yīng)力先減小后增大，在r=3.5mm 時接觸應(yīng)力最小，r=4.5mm 時接觸應(yīng)力最大，但接觸應(yīng)力沿著軸向方向下降較快，這是由于當(dāng)骨架內(nèi)半徑增大時，骨架的厚度就變小，導(dǎo)致膠筒端部的剛度降低，膠筒的接觸應(yīng)力集中在端部與套管的接觸面上。

圖8 不同骨架內(nèi)徑膠筒沿套管路徑的接觸應(yīng)力曲線Fig.8 Contact Stress Curvesof Rubber Along Casing Path with Different Skeleton Inner Diameters

在不同坐封載荷下，不同骨架內(nèi)徑膠筒的接觸應(yīng)力曲線，如圖9 所示?？梢钥闯霎?dāng)坐封載荷小于30MPa 時，不同金屬內(nèi)徑的膠筒接觸應(yīng)力均近似相等，當(dāng)坐封載荷大于30MPa 時，隨著金屬骨架的內(nèi)半徑增大，接觸應(yīng)力先降低后升高，在r=3.5 時最小，r=4mm 時最大。40MPa 下不同金屬骨架內(nèi)徑膠筒的Mises 應(yīng)力云圖及不同坐封載荷時膠筒最大Mises 應(yīng)力曲線分別，如圖10、圖11所示。可以看出膠筒的應(yīng)力分布大致相同，在靠近金屬骨架和凹槽位置應(yīng)力更大，隨著金屬骨架內(nèi)徑的增大，膠筒的最大Mises 應(yīng)力會發(fā)生上下波動，當(dāng)r=3.5mm 時膠筒應(yīng)力最小，當(dāng)r=4mm 時膠筒應(yīng)力最大。故金屬骨架內(nèi)徑r=4.5mm 時，接觸應(yīng)力基本不變，而膠筒的安全性也得到了顯著提高，因此骨架的內(nèi)徑最佳為4.5mm。

圖9 不同骨架內(nèi)徑膠筒的最大接觸應(yīng)力曲線Fig.9 Maximum Contact Stress Curves of Rubber with Different Skeleton Inner Diameters

圖10 不同骨架內(nèi)徑膠筒的Mises 應(yīng)力云圖Fig.10 Mises Stress Nephograms of Rubber with Different Skeleton Inner Diameters

圖11 不同骨架內(nèi)徑膠筒的最大Mises 應(yīng)力曲線Fig.11 Maximum Mises Stress Curves of Rubber with Different Skeleton Inner Diameters

5 結(jié)論

（1）開展了膠筒橡膠材料的本構(gòu)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出表征膠筒材料的力學(xué)性能的本構(gòu)模型為二階減縮多項(xiàng)式模型。（2）設(shè)計的新防突機(jī)構(gòu)有效地避免膠筒肩突現(xiàn)象的產(chǎn)生，改善了膠筒接觸應(yīng)力和Mises 應(yīng)力的分布規(guī)律。（3）隨著坐封載荷的增大，膠筒接觸應(yīng)力、Mises 應(yīng)力增大，金屬骨架外半徑R=5mm，內(nèi)半徑r=4.5mm，距端面位置S=0.5mm 時膠筒的密封性能最佳。