壓縮式膠筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化及裸眼密封性能分析

鐘功祥，鐘升級(jí)，程柯文

（西南石油大學(xué) 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500）

封隔器作為油氣田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的重要井下工具，由于其獨(dú)特的作用，為油氣田正常生產(chǎn)和各種井下工藝的順利進(jìn)行提供了有效機(jī)械手段。因此，封隔器被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)油氣田合理開(kāi)采的戰(zhàn)略性武器[1]。目前，針對(duì)于封隔器的密封準(zhǔn)則以接觸應(yīng)力的大小為主，但在實(shí)際工作中，封隔器的密封性能與接觸應(yīng)力、肩突值[2]都有關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)使用中，封隔器膠筒組密封失效和肩突問(wèn)題較為突出。楊秀娟等[3]采用罰函數(shù)方法，結(jié)合密封橡膠的非線性變形過(guò)程，研究摩擦因素與接觸應(yīng)力之間的關(guān)系，指出摩擦因數(shù)的變化對(duì)封隔器膠筒的接觸應(yīng)力有比較明顯的影響。張麗娟等研發(fā)出適用于直徑152.4 mm裸眼井眼的壓縮式裸眼封隔器[4]，該封隔器能夠在坐封時(shí)保護(hù)膠筒防止發(fā)生“肩突”現(xiàn)象，提高了封隔器承壓能力。李強(qiáng)開(kāi)展了對(duì)新型密封結(jié)構(gòu)密封性能的研究[5]，與常規(guī)三膠筒密封結(jié)構(gòu)相比，密封膠筒組與井壁之間的最大接觸壓力和平均接觸壓力均有較大提高，有效解決了封隔器膠筒組與井壁和膠筒組與中心管之間密封性能差的問(wèn)題。Polonsky 等[6]分析了封隔器坐封過(guò)程中膠管的工作狀態(tài)，提出了高壓密封和防突結(jié)構(gòu)的封隔器坐封方案。上述研究主要集中于新型封隔器的設(shè)計(jì),也涉及坐封方案的改進(jìn)，但現(xiàn)有常規(guī)膠筒封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能較差，又由于深井、超深井的地質(zhì)條件復(fù)雜、埋藏深度過(guò)大，高壓壓裂易導(dǎo)致膠筒臺(tái)肩突出、撕裂和壓碎等問(wèn)題[7]，故其難以滿足密封問(wèn)題建設(shè)。

針對(duì)上述問(wèn)題，建立封隔器密封性能指標(biāo)，并根據(jù)Mooney-Rivlin[8]超彈模型、膠管變形及接觸非線性理論[9],構(gòu)建壓縮式封隔器膠筒組在實(shí)際工作條件下的有限元計(jì)算模型,對(duì)壓縮式膠筒組的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其裸眼密封性能進(jìn)行分析。

1 壓縮式膠筒密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及本構(gòu)模型的建立

封隔器的密封性能指標(biāo)是封隔器最為重要的工作參數(shù)，直接決定了封隔器的工作性能的優(yōu)劣。目前，針對(duì)于封隔器的密封準(zhǔn)則是以接觸應(yīng)力的大小為主，但在實(shí)際使用過(guò)程中，封隔器的密封性能與接觸應(yīng)力、接觸長(zhǎng)度、肩突值都有關(guān)。因此針對(duì)于壓縮式膠筒的密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)要從多個(gè)方面綜合考量。

1）接觸應(yīng)力P。接觸應(yīng)力為傳統(tǒng)評(píng)價(jià)密封性能好壞的指標(biāo)，其中接觸面上的最大接觸應(yīng)力更是評(píng)判最大密封性能的指標(biāo)。接觸應(yīng)力越大，膠筒密封性能越好，抗泄漏能力越強(qiáng)。

2）密封性能系數(shù)K。密封性能系數(shù)K[10]代表了接觸應(yīng)力曲線在沿軸向距離上圍成的面積，該指標(biāo)既考慮了膠筒的接觸應(yīng)力，也考慮了膠筒的接觸長(zhǎng)度。對(duì)于膠筒的承壓、密封能力方面的評(píng)價(jià)更加全面。密封性能系數(shù)越大，密封性能越好。

式中：Cp為膠筒與井壁接觸應(yīng)力，MPa；CL為膠筒與井壁接觸長(zhǎng)度，mm；K為密封性能系數(shù)，MPa·mm。

3）肩突值J。肩突值的定義是膠筒壓縮后壓入到隔環(huán)與井壁環(huán)形空間軸向長(zhǎng)度，如圖1所示。它是膠筒密封可靠性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，肩突值越大，膠筒就越容易發(fā)生破壞。

圖1 肩突值定義Fig.1 Definition of shoulder protrusion value

由于橡膠材料為高度非線性的材料，在很大的應(yīng)變值下仍然能夠保持原有彈性，所以不能通過(guò)楊氏模量和泊松比對(duì)其進(jìn)行定義。Mooney-Rivlin 模型是完全多項(xiàng)式中比較簡(jiǎn)單的超彈模型，在材料的精確參數(shù)未知時(shí)常使用這種模型，同時(shí)該模型能夠很好的擬合不可壓縮橡膠材料的中等變形情況下的力學(xué)行為，因此采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型作為膠筒的本構(gòu)模型。

橡膠所用的聚氨酯材料的材料系數(shù)比值[11]C01/C10=0.05時(shí)的擬合曲線與試驗(yàn)曲線重合性好，常用膠筒材料的本構(gòu)模型力學(xué)性能常數(shù)[12]如表1所示。

表1 橡膠材料本構(gòu)模型力學(xué)性能常數(shù)Tab.1 Mechanical performance constants for rubber material constitutive models

2 壓縮式膠筒組建模及邊界條件設(shè)置

在ABAQUS 軟件中對(duì)壓縮式膠筒建模，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖2 壓縮式膠筒組結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 The structural parameters of the compression-type rubber cylinder assembly

中心管材料為45CrNiMoV；隔環(huán)材料為金屬即高強(qiáng)度鋁鎂合金；井壁材料為45鋼；膠筒1、膠筒2及膠筒3材料為橡膠，橡膠硬度分別為75 HA、80 HA、80 HA。

在邊界條件設(shè)置中，膠筒與中心管設(shè)置為表面與表面接觸，摩擦因數(shù)為0.3；隔環(huán)和中心管之間摩擦因數(shù)為0.1；膠筒與隔環(huán)的摩擦因數(shù)為0.3；膠筒與井壁的摩擦因數(shù)為0.5[13]；中心管與井壁設(shè)置為完全固定，限制隔環(huán)X方向固定、下隔環(huán)完全固定；同時(shí)在上隔環(huán)施加壓縮載荷20 MPa。

3 壓縮式膠筒組單因素分析

3.1 壓縮式膠筒組數(shù)值分析結(jié)果

常規(guī)壓縮式膠筒組Mises 應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 壓縮式膠筒組Mises 應(yīng)力云圖Fig.3 Mises stress cloud map of compression-type rubber cylinder assembly

從圖3中可以看出：膠筒1并沒(méi)有完全壓縮，膠筒內(nèi)壁與中心管沒(méi)有完全接觸且存在縫隙，說(shuō)明受限于單向施加載荷的影響導(dǎo)致遠(yuǎn)離載荷的膠筒難以產(chǎn)生足夠的變形，膠筒有產(chǎn)生肩突的現(xiàn)象但不明顯；膠筒2作為中間膠筒受載較膠筒1明顯改善，膠筒與中心管和井壁完全貼合，有一定的肩突現(xiàn)象；膠筒3離受載荷端最近，膠筒過(guò)度壓縮產(chǎn)生了明顯的肩突現(xiàn)象，上端肩突值比下端肩突值更加明顯且應(yīng)力更加集中。

從膠筒的應(yīng)力分析可以看出，每個(gè)膠筒應(yīng)力的最大位置都處于受載一端即隔環(huán)擠壓膠筒發(fā)生肩突的區(qū)域，膠筒3的Mises 應(yīng)力值最大為22.3 MPa，肩突值為5.8 mm。

膠筒組沿軸向距離的接觸應(yīng)力曲線如圖4所示。

圖4 膠筒組沿軸向距離的接觸應(yīng)力曲線Fig.4 The contact stress curve along the axial distance of the cylinder assembly

從圖4可以看出：膠筒1的最大值為1.1 MPa，密封性能系數(shù)K＝31 MPa·mm；膠筒2的最大接觸應(yīng)力為3.1 MPa，密封性能系數(shù)K為94.4 MPa·mm；膠筒3的最大接觸應(yīng)力為13.4 MPa，密封性能系數(shù)K＝429.5 MPa·mm。由于膠筒1和膠筒2的密封性能系數(shù)以及整體接觸應(yīng)力相較于膠筒3差距較大，表明膠筒3是膠筒組中的主要密封部分，很大程度上決定了壓縮式膠筒組的密封性能。

3.2 內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮膠筒密封性能的影響

壓縮式膠筒在坐封時(shí)，膠筒1和膠筒2由于離載荷端較遠(yuǎn)，坐封不完全，最終導(dǎo)致接觸應(yīng)力與密封性能系數(shù)都較低。如圖5所示，通過(guò)在膠筒內(nèi)壁與中心管之間添加不同形狀的內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)和考慮無(wú)內(nèi)襯套的異型膠筒結(jié)構(gòu)，分析膠筒組在軸向載荷下的變形情況以及膠筒組與井壁之間接觸壓力的變化[14]。

圖5 3種內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5 Structural parameters of three types of inner liner

不同內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)膠筒組的接觸應(yīng)力曲線如圖6所示。從圖6中可以看出：橫坐標(biāo)為實(shí)際應(yīng)力產(chǎn)生的位置，雖然內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力位置會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但差別不大，3種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力都出現(xiàn)在膠筒3與上隔環(huán)接觸位置[15]。膠筒組整體應(yīng)力情況沿加載端軸向減小，最大接觸應(yīng)力分別為三角形14 MPa、梯形14.2 MPa、異型膠筒14.3 MPa，相較于常規(guī)膠筒的13.4 MPa 均有一定提升；整體接觸應(yīng)力三角形和梯形內(nèi)襯套提升明顯，異型膠筒在沿著軸向距離的接觸應(yīng)力下降較快。

圖6 不同內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)膠筒組的接觸應(yīng)力曲線Fig.6 Contact stress curves of cylinder assemblies with different inner liner structures

不同內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)膠筒組的密封性能系數(shù)曲線如圖7所示。從圖7中可以看出：膠筒組和單個(gè)膠筒的變化趨勢(shì)一致；異型膠筒的K值相比于常規(guī)膠筒有一定減少，僅為552.1 MPa·mm；三角形內(nèi)襯套和梯形內(nèi)襯套對(duì)于膠筒的密封性能均有提升，其中三角形內(nèi)襯套提升最大，相較于常規(guī)膠筒K值提升了16.1%,達(dá)到644.2 MPa·mm。相反，異型膠筒的K值相比于常規(guī)膠筒在一定程度上有所減少。

圖7 不同內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)膠筒組的密封性能系數(shù)曲線Fig.7 Coefficient of sealing performance curves for cylinder assemblies with different inner liner structures

不同內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)的肩突值曲線圖、壓縮距柱狀圖、膠筒變形圖如圖8所示。從圖8中可以看出：異型膠筒的中間留有凹槽易壓縮，其壓縮距最大為53.4 mm，其余兩種結(jié)構(gòu)的壓縮距均為51 mm 左右，無(wú)明顯變化；異型膠筒的肩突值最大為6.2 mm，三角形結(jié)構(gòu)較常規(guī)膠筒提升約5.2%為6.06 mm；整體變形情況，三角形結(jié)構(gòu)坐封后空隙少，壓縮效果好，其次是梯形結(jié)構(gòu)，而異型膠筒空隙大、效果最差。

圖8 不同內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)肩突曲線、壓縮距柱狀及膠筒變形圖Fig.8 Shoulder protrusion curves,compressed distance cylinder charts,and cylinder deformation maps for cylinder assemblies with different inner liner structures

綜上所述：內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)膠筒組的密封性能，其中三角形內(nèi)襯套的效果最好，壓縮相對(duì)更加完全，且對(duì)于肩突值的影響較小，不會(huì)增加肩突風(fēng)險(xiǎn)；異型膠筒雖然在最大接觸應(yīng)力方面效果更好，但其接觸應(yīng)力趨勢(shì)下降太快，密封性能系數(shù)低。

3.3 防突結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮膠筒密封性能的影響

在實(shí)際工作條件下，肩突是導(dǎo)致膠筒破壞的主要原因[16]，所以需要對(duì)密封膠筒進(jìn)行防突結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。這里提出兩種防突結(jié)構(gòu)：金屬圓環(huán)和環(huán)形金屬片，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9所示。

圖9 兩種防突結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.9 Structural parameters of two types of anti-protrusion structures

添加防突結(jié)構(gòu)后，3種膠筒組的接觸應(yīng)力曲線如圖10所示。從圖10中可以看出：3種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力都在膠筒3與上隔環(huán)接觸位置，且位置幾乎相同。添加環(huán)形金屬片后，膠筒2和膠筒3都出現(xiàn)了接觸應(yīng)力陡然升高隨后回落，其接觸應(yīng)力的最大值分別為8.4 MPa、13.6 MPa，分析認(rèn)為這是由于鋼片變形后產(chǎn)生的回彈力引起的應(yīng)力畸變；而添加金屬圓環(huán)后，最大接觸應(yīng)力值為12.7 MPa，相較于常規(guī)膠筒減少了5.2%。通過(guò)常規(guī)與金屬圓環(huán)的接觸應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)：常規(guī)膠筒的最大接觸應(yīng)力發(fā)生在膠筒3的端部；由于金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了膠筒端部的剛度，在同樣載荷下金屬圓環(huán)膠筒端部變形相較于常規(guī)膠筒變形程度較低，這就會(huì)降低膠筒組的最大接觸應(yīng)力，膠筒1和膠筒2處金屬圓環(huán)產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力分別為1.7 MPa 和4.4 MPa，相較于常規(guī)膠筒分別提高了54.5%和41.9%。從接觸長(zhǎng)度方面看，常規(guī)膠筒的接觸長(zhǎng)度包括由于肩突而產(chǎn)生的接觸面，所以環(huán)形金屬片和金屬圓環(huán)的接觸長(zhǎng)度相較于常規(guī)膠筒有所縮短。

圖10 3種結(jié)構(gòu)膠筒組的接觸應(yīng)力曲線Fig.10 Contact stress curves for three types of cylinder assemblies with different structures

3種結(jié)構(gòu)膠筒組的密封性能系數(shù)曲線如圖11所示，從圖中可以看出：添加環(huán)形金屬片膠筒組的密封性能系數(shù)K值相較于常規(guī)膠筒組減少了39%，為338.53 MPa·mm，其中膠筒3的K值減少了近一半；而添加金屬圓環(huán)后，膠筒1和膠筒2的K值較常規(guī)膠筒均有提升，膠筒3的K值有所減少，膠筒組整體K值提升了14.1 MPa·mm。總體來(lái)說(shuō)，加入環(huán)形金屬片后，膠筒組的密封性能系數(shù)降低明顯，而加入金屬圓環(huán)后，膠筒組的密封性能系數(shù)小幅提高。

圖11 3種結(jié)構(gòu)膠筒組的密封性能系數(shù)曲線Fig.11 Coefficient of sealing performance curves for three types of cylinder assemblies with different structures

3種結(jié)構(gòu)膠筒的肩突值曲線圖、壓縮距柱狀圖如圖12所示。

圖12 3種結(jié)構(gòu)膠筒的肩突值曲線圖、壓縮距柱狀圖Fig.12 Shoulder protrusion value curves and compressed distance cylinder charts for three types of cylinder assemblies with different structures

從肩突值曲線可以看出：防突結(jié)構(gòu)對(duì)肩突現(xiàn)象的控制均有效果，添加環(huán)形金屬片后膠筒組的肩突值降低了42.7%，為3.3 mm；添加金屬圓環(huán)后，肩突值降低了94.8%，為0.3 mm。

3種結(jié)構(gòu)膠筒組最終變形情況如圖13所示，環(huán)形金屬片和金屬圓環(huán)的肩突抑制效果明顯。分析認(rèn)為，防突結(jié)構(gòu)增加了局部膠筒的剛度，導(dǎo)致膠筒變形減小，壓縮距減少。

圖13 3種結(jié)構(gòu)膠筒變形圖Fig.13 Deformation maps of three types of cylinder assemblies with different structures

綜上所述：兩種金屬防突結(jié)構(gòu)中金屬圓環(huán)的防突能力更強(qiáng)，密封性能更好、整體性能更符合要求。由于防突結(jié)構(gòu)的限制，兩種添加金屬防突結(jié)構(gòu)的膠筒接觸長(zhǎng)度均有所縮短。且添加了金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)的膠筒組，因其接觸應(yīng)力的提高以及均勻性，使得密封性能較常規(guī)膠筒組更強(qiáng)。

3.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后整體性能對(duì)比

通過(guò)增加內(nèi)襯套和防突結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮式膠筒組的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并與優(yōu)化前的情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到膠筒組的變形對(duì)比圖和膠筒組接觸應(yīng)力對(duì)比曲線，如圖14和圖15所示。

圖14 優(yōu)化前后膠筒變形位移對(duì)比圖Fig.14 Comparison of cylinder deformation displacement before and after optimization

圖15 優(yōu)化前后膠筒接觸應(yīng)力對(duì)比曲線Fig.15 Comparison of cylinder contact stress curves before and after optimization

從圖4可以看出：優(yōu)化后膠筒組的肩突現(xiàn)象得到抑制；優(yōu)化后膠筒1的壓縮程度完全沒(méi)有空隙，而優(yōu)化前膠筒1壓縮不完全。

從接觸應(yīng)力對(duì)比曲線可以看出：優(yōu)化后膠筒3的曲線更加平穩(wěn)，膠筒2的最大接觸應(yīng)力提升了83.9%，為5.7 MPa，膠筒3的最大接觸應(yīng)力提升了209.1%，為3.4 MPa。

優(yōu)化前后的最大接觸應(yīng)力、密封性能系數(shù)和肩突值如表2所示。從表2中可以看出：結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的最大接觸應(yīng)力值變化不大，最大接觸應(yīng)力優(yōu)化后降低3.7%，密封性能系數(shù)提高32.1%，肩突值降低77.9%，優(yōu)化后整體性能提升較明顯。

表2 優(yōu)化前后值與優(yōu)化預(yù)測(cè)值分析表Tab.2 Analysis of values before and after optimization and predicted optimization values

綜上所述：通過(guò)內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)與防突結(jié)構(gòu)的結(jié)合，其中防突結(jié)構(gòu)能夠抑制膠筒產(chǎn)生的肩突現(xiàn)象，內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)能夠提高膠筒整體的接觸應(yīng)力，優(yōu)化后整體密封性能顯著提高。

4 壓縮式膠筒組優(yōu)化后裸眼密封性能分析

4.1 裸眼井壁模型的建立

封隔器工作環(huán)境為裸眼井壁。為探究壓縮式膠筒組在不規(guī)則井壁中的密封情況，通過(guò)SolidWorks三維建模軟件，以兩條邊界線為界，在兩條邊界線之間隨機(jī)取點(diǎn)所生成的曲線定為裸眼井壁曲線。使用掃描特征沿閉合路徑通過(guò)掃描閉合輪廓來(lái)生成三維裸眼井壁[17]如圖16所示。

4.2 壓縮式膠筒組在不規(guī)則井壁中的密封性能分析

將裸眼井壁模型導(dǎo)入ABAQUS 仿真軟件中，對(duì)壓縮式膠筒組在不規(guī)則井壁中密封性能進(jìn)行仿真分析，并對(duì)其在平滑井壁和不規(guī)則井壁中的密封性能進(jìn)行對(duì)比。膠筒組在裸眼井壁的接觸應(yīng)力云圖如圖17所示。

圖17 壓縮式膠筒組在裸眼井壁的接觸應(yīng)力云圖Fig.17 Contact stress cloud map of compression-type rubber cylinder assembly on an open hole well wall

從圖17中可以看出：由于裸眼井壁的凹凸不平，膠筒組的接觸應(yīng)力也出現(xiàn)了分布不均的現(xiàn)象；膠筒3的最大接觸應(yīng)力最大為15.3 MPa，相較于平滑井壁的12.9 MPa 增大了2.4 MPa。分析認(rèn)為，不規(guī)則的井壁導(dǎo)致膠筒出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大接觸應(yīng)力增加。

為進(jìn)一步探究該封隔器在不規(guī)則井壁中的密封能力，分別從周向和軸向?qū)δz筒的接觸應(yīng)力和密封性能系數(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析膠筒3的接觸應(yīng)力。

圖18為膠筒3中部的周向接觸應(yīng)力曲線圖。從圖18中可以看出：井壁截面曲線半徑與接觸應(yīng)力曲線成反比關(guān)系，井壁截面曲線半徑增大，接觸應(yīng)力減??；從仿真結(jié)果可以得出：膠筒在不規(guī)則井壁中的接觸應(yīng)力大于在平滑井壁中接觸應(yīng)力，肩突值也由1.28 mm 增加至1.65 mm。

圖18 周向接觸應(yīng)力曲線Fig.18 Circumferential contact stress curve

圖19為膠筒3軸向接觸應(yīng)力對(duì)比圖。從圖19中可以看出：通過(guò)與平滑井壁接觸應(yīng)力曲線的對(duì)比可以看出井壁半徑的變化對(duì)膠筒軸向接觸應(yīng)力變化的趨勢(shì)影響不大，在軸向距離為10～20 mm 時(shí)，井壁截面曲線半徑出現(xiàn)峰值，接觸應(yīng)力出現(xiàn)小幅下降隨后回升。不規(guī)則井壁密封性能系數(shù)為480.4 MPa·mm，大于平滑井壁密封性能系數(shù)446.6 MPa·mm，相差7.5%。

圖19 軸向接觸應(yīng)力曲線Fig.19 Axial contact stress curve

通過(guò)分析壓縮式膠筒組在裸眼井壁中的密封性可以得出：不規(guī)則井壁對(duì)于膠筒組的密封性能有較大的影響，井壁的變化造成了接觸應(yīng)力的提高和降低。分析認(rèn)為，由于井壁的不規(guī)則變化，導(dǎo)致井壁出現(xiàn)了凹陷，膠筒組在受到擠壓發(fā)生徑向變形，凹陷周圍的井壁限制了膠筒進(jìn)一步的變化，因此膠筒在凹陷處的接觸應(yīng)力較?。欢诰谕黄鹛?，膠筒組產(chǎn)生應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力較大。另一方面，密封性能系數(shù)、接觸應(yīng)力和肩突值均增大的原因在于不規(guī)則裸眼井壁的建模時(shí)考慮了井壁的擴(kuò)徑率，導(dǎo)致膠筒組壓縮距離更大，膠筒變形越大，使膠筒組的接觸應(yīng)力越大，肩突值增加，密封性能系數(shù)提高。

綜上所述，壓縮式膠筒組在不規(guī)則井壁中的接觸應(yīng)力曲線整體高于在平滑井壁中的接觸應(yīng)力的曲線，但不顯著。分析認(rèn)為，這是由于壓縮式膠筒組坐封時(shí)需要迫使膠筒徑向變形密封，因此井壁半徑變大，壓縮距增大，接觸應(yīng)力增大，從而對(duì)于密封性能影響較大。

5 結(jié)論

1）基于封隔器的密封準(zhǔn)則建立了封隔器密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）對(duì)壓縮式膠筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行單因素優(yōu)化，并對(duì)其密封性能進(jìn)行分析對(duì)比。通過(guò)分析得出：常規(guī)膠筒添加三角形內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)和膠筒金屬圓環(huán)防突結(jié)構(gòu)能夠顯著增加其密封性能。

3）在膠筒組上添加內(nèi)襯套結(jié)構(gòu)與防突結(jié)構(gòu)后，通過(guò)ABAQUS 仿真對(duì)比得出：優(yōu)化后的膠筒組密封性能系數(shù)提高了32.1%，肩突值降低了77.9%。

4）開(kāi)展了壓縮式封隔器膠筒在不規(guī)則井壁中的密封性能分析，結(jié)果表明：井壁的不規(guī)則會(huì)使膠筒產(chǎn)生應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力相較于平滑井壁時(shí)會(huì)發(fā)生上下波動(dòng)?？傮w來(lái)說(shuō)，若井壁的不規(guī)則度控制在一定范圍之內(nèi)，則裸眼井壁對(duì)封隔器的密封性能影響不大。