防噴盒聚氨酯膠筒密封性能及其主控因素分析*

鄧 琳，馬衛(wèi)國(guó)，曾永鋒，陳 婷，王 力

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，湖北 荊州 434000)

0 引言

防噴盒隔離井筒流體保證作業(yè)安全，是實(shí)現(xiàn)連續(xù)管帶壓作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。防噴盒密封膠筒通常采用聚氨酯材料制成[1]。聚氨酯材料以良好的機(jī)械性能、耐磨和耐油性能成為液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)重要的密封件材料[2]。但是，對(duì)于密封性能要求較高的深井、高壓氣井，防噴盒密封依然存在不可靠、壽命短的問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，采用2只防噴盒串聯(lián)在一起以延長(zhǎng)防噴盒膠筒的使用時(shí)間，但存在增加重量、井口高度和成本等缺點(diǎn)。

為此，揭示防噴盒膠筒的密封性能，并對(duì)影響膠筒密封性能的主控因素進(jìn)行分析十分必要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論研究。周金衛(wèi)等[3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況對(duì)比研究CT220防噴盒與M60DS74-5240X防噴盒的最大工作壓力、膠筒的結(jié)構(gòu)、膠筒厚度等，得出M60DS74-5240X防噴盒優(yōu)于CT220防噴盒的結(jié)論；陳澈等[4]對(duì)TOT制造的70 MPa側(cè)開(kāi)門(mén)防噴盒的失效進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要失效原因；朱兆亮等[5]針對(duì)防噴盒膠筒端部應(yīng)力集中和磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，將膠筒表面的幾何形狀優(yōu)化為鼓型并采用雙膠筒結(jié)構(gòu)，提高了膠筒密封能力；劉遠(yuǎn)波等[6]基于膠筒受力分析，改變?cè)m應(yīng)連續(xù)管管徑為φ50.8 mm至φ73 mm防噴盒的加壓方向，以適應(yīng)φ38.1 mm連續(xù)管作業(yè)的防噴盒密封；密封膠筒使用相對(duì)柔軟的聚氨酯材料，在高壓密封時(shí)容易發(fā)生磨損或撕裂，因此Andersen等[1]利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試了高壓井密封的聚氨酯和聚乙烯防噴盒膠筒，經(jīng)測(cè)試各種密封件的壽命、內(nèi)部材料的完整性以及在高壓和超高壓下的安全性，判定膠筒的密封性能，發(fā)現(xiàn)聚乙烯材料在超高壓下的穩(wěn)定性良好。學(xué)者們對(duì)用于高壓井的防噴盒密封性能和失效原因展開(kāi)大量研究，旨在提高連續(xù)管防噴盒井口密封的可靠性，但對(duì)于在深井、高壓氣井中連續(xù)管靜止以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，防噴盒分瓣式半球齒面接觸方式膠筒的密封可靠性分析鮮見(jiàn)報(bào)道。

表1 模型尺寸Table 1 Model sizes mm

本文采用有限元方法研究分瓣式半球齒面接觸方式膠筒的密封性能，建立連續(xù)管過(guò)防噴盒膠筒的有限元模型，對(duì)影響防噴盒膠筒密封的主控因素進(jìn)行探究，為后續(xù)優(yōu)化防噴盒膠筒提供參考。

1 防噴盒膠筒密封原理

1.1 防噴盒膠筒工作原理

防噴盒安裝在注入頭下方，起升和注入連續(xù)管時(shí)，防噴盒內(nèi)的膠筒在外部壓力作用下與連續(xù)管和上活塞套接觸形成密封，隔離井筒流體保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全。側(cè)開(kāi)門(mén)防噴盒膠筒密封原理示意如圖1所示，控制壓力油從進(jìn)油口A注入，推動(dòng)下活塞，帶動(dòng)下壓塊上移擠壓膠筒變形使得膠筒與連續(xù)管和上活塞套接觸形成密封。在此過(guò)程中井筒介質(zhì)壓力作用在下壓塊端部，輔助膠筒密封；控制壓力油從進(jìn)油口B進(jìn)入，推動(dòng)下活塞下移，使得壓縮變形的膠筒恢復(fù)原狀，從而解開(kāi)密封狀態(tài)?？刂茐毫τ蛷倪M(jìn)油口C進(jìn)入，推動(dòng)上活塞套向上移動(dòng)，打開(kāi)防噴盒，方便更換防噴盒膠筒；控制壓力油從進(jìn)油口D進(jìn)入，推動(dòng)上活塞套下移，關(guān)閉防噴盒。

圖1 側(cè)開(kāi)門(mén)防噴盒膠筒原理示意Fig.1 Schematic diagram of the packer for side door stripper

1.2 有效接觸應(yīng)力

膠筒密封面上的有效接觸應(yīng)力[7-8]是指將膠筒密封面沿軸向(或徑向)劃分為無(wú)數(shù)條密封線，每條密封線上都存在1個(gè)最大接觸應(yīng)力值，其中某1條密封線上的最大接觸應(yīng)力值為所有密封線中最小的最大接觸應(yīng)力值時(shí)，選擇此最大接觸應(yīng)力值作為有效接觸應(yīng)力，如式(1)所示：

(1)

式中：k為膠筒密封面上的任意1條密封線；i為任意1條密封線上的任意1點(diǎn)；pi為密封線k上i點(diǎn)的接觸應(yīng)力，MPa；pk為密封線k上的最大接觸應(yīng)力，MPa；pc為有效接觸應(yīng)力，MPa。

本文膠筒內(nèi)壁面、外壁面、嚙合面密封線為軸向線；膠筒底面、頂面密封線為徑向線。有效接觸應(yīng)力作為衡量膠筒密封性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，膠筒密封面上有效接觸應(yīng)力越大，膠筒的密封性能越好。

2 有限元模型

有限元分析方法具有求解精確和低成本的優(yōu)點(diǎn)，是密封仿真的主流研究方法。

2.1 幾何模型

基于工程中實(shí)際使用的防噴盒的幾何參數(shù)，采用SolidWorks軟件與ABAQUS軟件建立膠筒、連續(xù)管、上活塞套、上下壓塊的幾何模型，膠筒為2瓣式半球齒面嚙合結(jié)構(gòu)，如圖2所示，模型尺寸如表1所示。

圖2 膠筒網(wǎng)格示意Fig.2 Schematic diagram of the packer grid

2.2 材料性能參數(shù)設(shè)置

膠筒采用聚氨酯彈性體材料，材料模型選擇Mooney-Rivlin[9-11]模型，如式(2)所示：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(2)

式中：W為應(yīng)變能函數(shù)；I1和I2分別為第1和第2 Green應(yīng)變不變量；C01和C10分別為系數(shù)。

該模型能較好地描述變形小于150%的橡膠材料力學(xué)性能，能滿足橡膠材料實(shí)際應(yīng)用的性能計(jì)算需求。本文主要討論硬度為75，85，95 HA的聚氨酯膠筒，其Mooney-Rivlin模型參數(shù)如表2所示[9-11]。

表2 聚氨酯的Mooney-Rivlin模型參數(shù)Table 2 Mooney-Rivlin model parameters of polyurethane

2.3 網(wǎng)格設(shè)計(jì)

膠筒采用六面體線性C3D8H單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，連續(xù)管、上下壓塊、上活塞套的模型類型為離散剛體，采用R3D4單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.4 邊界條件與載荷

防噴盒操作系統(tǒng)最大工作壓力為21 MPa，推薦使用工作壓力為8.4 MPa至10.5 MPa[12]。操作系統(tǒng)壓力和井筒介質(zhì)壓力作用在下壓塊上的載荷在ABAQUS軟件中加載在下壓塊的參考點(diǎn)上。

設(shè)置上壓塊、上活塞套的各方向自由度均固定，連續(xù)管和下壓塊在Y軸方向移動(dòng)，其余方向自由度均固定。當(dāng)起升連續(xù)管時(shí)，連續(xù)管沿Y軸正方向向上運(yùn)動(dòng)，大小為256 mm/s；當(dāng)注入連續(xù)管時(shí)，連續(xù)管沿Y軸負(fù)方向向下運(yùn)動(dòng)，大小為-256 mm/s[13]。模型接觸對(duì)間的摩擦系數(shù)設(shè)置如表3所示[14-16]。

表3 模型接觸對(duì)間的摩擦系數(shù)Table 3 Friction coefficient between contact pairs in model

3 有限元分析模型的可靠性

某油田使用的防噴盒聚氨酯膠筒實(shí)物如圖3所示，該膠筒通徑為φ38.1 mm，使用于密封井筒壓力不大于70 MPa的作業(yè)環(huán)境。膠筒為易損件，防噴盒密封狀態(tài)下連續(xù)管起升或注入時(shí)，相對(duì)于膠筒向上或向下運(yùn)動(dòng)，使用一段時(shí)間后的膠筒上下兩端發(fā)生明顯磨損導(dǎo)致失效，且在膠筒上端(靠近注入頭一端)磨損更嚴(yán)重。結(jié)合防噴盒現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工況條件，采用ABAQUS軟件對(duì)膠筒進(jìn)行數(shù)值仿真分析。研究連續(xù)管在起升、注入以及靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)膠筒內(nèi)壁面Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力的影響，仿真參數(shù)設(shè)置如表4所示。

圖3 膠筒磨損的實(shí)物Fig.3 Entity of the packer wearing

表4 參數(shù)設(shè)置Table 4 Parameters setting

當(dāng)連續(xù)管處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，膠筒Mises應(yīng)力分布情況如圖4所示。取路徑S1，研究連續(xù)管向上、向下以及靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，膠筒內(nèi)壁面Mises應(yīng)力分布，如圖5所示。當(dāng)連續(xù)管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大Mises應(yīng)力位于膠筒內(nèi)壁頂部；當(dāng)連續(xù)管向下運(yùn)動(dòng)或處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，最大Mises應(yīng)力均位于膠筒內(nèi)壁底部。

圖4 連續(xù)管處于靜止時(shí)膠筒Mises應(yīng)力云圖Fig.4 Mises stress cloud diagram of the packer when the coiled tubing is not moving

圖5 膠筒在S1路徑上Mises應(yīng)力的曲線Fig.5 Mises stress curves of the packer on S1 path

當(dāng)連續(xù)管處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，膠筒接觸應(yīng)力分布情況如圖6所示，膠筒各密封面均能滿足密封要求。取路徑S1，研究連續(xù)管向上、向下、靜止時(shí)，膠筒內(nèi)壁面接觸應(yīng)力分布，如圖7所示。結(jié)果表明，連續(xù)管運(yùn)動(dòng)對(duì)膠筒內(nèi)壁面接觸應(yīng)力分布有影響，當(dāng)連續(xù)管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠筒頂部接觸應(yīng)力值最大，且沿S1路徑自上而下逐漸減小；當(dāng)連續(xù)管向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠筒底部接觸應(yīng)力值最大，且沿S1路徑自上至下逐漸增大；當(dāng)連續(xù)管處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，膠筒接觸應(yīng)力分布最為均勻，且均滿足密封要求。

圖6 連續(xù)管處于靜止時(shí)膠筒接觸應(yīng)力云圖Fig.6 Contact stress cloud diagram of the packer when coiled tubing was not moving

圖7 膠筒在S1路徑上接觸應(yīng)力的曲線Fig.7 Contact pressure curves of the packer on S1 path

綜上所述，膠筒內(nèi)壁面兩端的Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力較大，是容易發(fā)生疲勞和磨損的部位，這一結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)使用失效的膠筒磨損位置基本一致，驗(yàn)證了有限元分析模型的可靠性。

4 影響膠筒密封性能的主控因素

4.1 井筒介質(zhì)壓力對(duì)膠筒密封性能的影響

分別對(duì)下壓塊施加20 MPa至70 MPa的井筒介質(zhì)壓力，其他參數(shù)設(shè)置保持不變。研究不同井筒介質(zhì)壓力對(duì)膠筒各密封面密封性能的影響。考慮到連續(xù)管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)對(duì)膠筒密封性能造成影響，研究中對(duì)比分析連續(xù)管向上、向下運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)膠筒各密封面的有效接觸應(yīng)力。連續(xù)管在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下膠筒各密封面上的有效接觸應(yīng)力分別如圖8～10所示，可得井筒介質(zhì)壓力增大，防噴盒膠筒密封性能增強(qiáng)，且膠筒各密封面有效接觸應(yīng)力值與連續(xù)管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，主要起到密封作用的面為膠筒底面、內(nèi)壁面、嚙合面。

圖8 連續(xù)管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)膠筒各表面有效接觸應(yīng)力對(duì)比Fig.8 Comparison of the effective contact pressure on surfaces of the packer when the coiled tubing moves upward

圖9 連續(xù)管向下運(yùn)動(dòng)時(shí)膠筒各表面有效接觸應(yīng)力對(duì)比Fig.9 Comparison of the effective contact pressure on surfaces of the packer when the coiled tubing moves downward

圖10 連續(xù)管處于靜止時(shí)膠筒各表面有效接觸應(yīng)力對(duì)比Fig.10 Comparison of effective contact stress on each surface of the packer when coiled tubing was not moving

4.2 摩擦系數(shù)對(duì)膠筒密封性能的影響

連續(xù)管在起升與注入過(guò)程中，由于連續(xù)管表面的磨損、變形，以及環(huán)空中的泥沙與巖屑等情況的干擾，導(dǎo)致膠筒與連續(xù)管以及上活塞套之間的摩擦系數(shù)較難確定，且采用不同硬度的聚氨酯膠筒時(shí)，其對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)隨之改變[14-16]，因此對(duì)防噴盒膠筒密封性能與摩擦系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。設(shè)定膠筒與連續(xù)管的摩擦系數(shù)取值范圍為0.05至0.45，分析膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力與摩擦系數(shù)的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖11所示。當(dāng)連續(xù)管運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力的影響顯著；當(dāng)連續(xù)管靜止時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力幾乎無(wú)影響，且均滿足膠筒密封要求。當(dāng)向上、向下運(yùn)動(dòng)的連續(xù)管與膠筒內(nèi)壁面摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力值最大，分別為88.8，85.2 MPa，然后隨著摩擦系數(shù)增大膠筒內(nèi)壁面的有效接觸應(yīng)力值減小。

圖11 摩擦系數(shù)對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力的影響Fig.11 Influence of friction coefficient on effective contact stress on inner wall of the packer

4.3 膠筒硬度對(duì)膠筒密封性能的影響

分別取聚氨酯膠筒硬度為75，85，95 HA，其他參數(shù)設(shè)置保持不變，分析膠筒硬度對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力的影響，結(jié)果如圖12所示。當(dāng)連續(xù)管處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，膠筒硬度增大，膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力減小，但僅減小0.9 MPa，膠筒硬度對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力無(wú)明顯影響；當(dāng)連續(xù)管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠筒硬度為85 HA的內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力值最大；當(dāng)連續(xù)管向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，膠筒硬度為75 HA的內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力值最大；膠筒硬度為95 HA時(shí)，無(wú)論連續(xù)管處于何種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力值均最小。

圖12 聚氨酯硬度對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力的影響Fig.12 Influence of polyurethane hardness on effective contact stress on inner wall of the packer

4.4 間隙對(duì)膠筒密封性能的影響

改變2瓣式膠筒的內(nèi)徑，設(shè)定膠筒與連續(xù)管的間隙范圍為0～4 mm，其他參數(shù)設(shè)置保持不變。膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力與膠筒和連續(xù)管之間的間隙的關(guān)系如圖13所示。當(dāng)連續(xù)管處于靜止?fàn)顟B(tài)下，膠筒與連續(xù)管的間隙對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力影響較??；當(dāng)連續(xù)管向上和向下運(yùn)動(dòng)，膠筒與連續(xù)管的間隙為1.5 mm時(shí)，膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力值最大，分別為95.9，90.2 MPa。

圖13 膠筒間隙對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力的影響Fig.13 Influence of packer gap on effective contact stress on inner wall of the packer

4.5 連續(xù)管運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膠筒密封性能的影響

根據(jù)實(shí)際工況，連續(xù)管過(guò)防噴盒膠筒的速度會(huì)發(fā)生變化，為探究連續(xù)管運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膠筒內(nèi)壁面接觸應(yīng)力的影響，設(shè)定連續(xù)管沿Y軸方向上、下運(yùn)動(dòng)的速度范圍為100～600 mm/s[13]，其他參數(shù)設(shè)置保持不變。膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力與連續(xù)管運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系如圖14所示，連續(xù)管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力一直大于連續(xù)管向下運(yùn)動(dòng)時(shí)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力。連續(xù)管運(yùn)動(dòng)速度增大，膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力幾乎無(wú)變化，研究結(jié)果表明連續(xù)管運(yùn)動(dòng)速度的大小對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力幾乎無(wú)影響。

圖14 連續(xù)管運(yùn)動(dòng)速度對(duì)膠筒內(nèi)壁面有效接觸應(yīng)力的影響Fig.14 Influence of moving speed of coiled tubing on effective contact stress on inner wall of the packer

5 結(jié)論

1)膠筒各密封面的密封性能與過(guò)防噴盒連續(xù)管的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，連續(xù)管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)膠筒密封性能優(yōu)于連續(xù)管向下運(yùn)動(dòng)時(shí)膠筒的密封性能，但連續(xù)管上、下運(yùn)動(dòng)的速度對(duì)膠筒密封性能無(wú)影響。

2)井筒介質(zhì)壓力、摩擦系數(shù)、膠筒硬度以及膠筒與連續(xù)管的間隙對(duì)膠筒密封性能影響顯著。井筒介質(zhì)壓力增大，防噴盒膠筒的密封性能增強(qiáng)，當(dāng)膠筒硬度為75，85 HA，膠筒與連續(xù)管的間隙為1.5 mm、摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，膠筒的密封性能更好。