高溫高壓封隔器膠筒密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

孫永濤 魏安超 陳宗琦 程文佳 蔡應(yīng)龍

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司 天津 300450；2.中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司工程技術(shù)作業(yè)中心 海南海口 570300；3.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司 新疆烏魯木齊 830000；4.西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院 陜西西安 710000)

封隔器膠筒承載產(chǎn)生徑向大變形擠壓套管，從而形成接觸壓力封堵油管與套管之間的環(huán)形空間，為油井開(kāi)采提供保障[1]。許多學(xué)者針對(duì)封隔器設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究。張德彪等[2]分析了防突結(jié)構(gòu)對(duì)封隔器密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)封隔器的防突裝置能夠顯著提高封隔器的密封效果。陳偉等人[3]利用正交設(shè)計(jì)法綜合分析膠筒的半徑、膠筒與套管壁的接觸面積、膠筒硬度和膠筒長(zhǎng)度對(duì)封隔器密封性能的影響。劉春雨[4]對(duì)封隔器的密封性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)判分析，認(rèn)為封隔器在封隔狀態(tài)下，接觸壓力應(yīng)大于壓差從而保證封隔器能夠有效封隔上下部的壓差。田宗正等[5]針對(duì)大擴(kuò)張比封隔器現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)問(wèn)題，對(duì)封隔器坐封和密封過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析和試驗(yàn)測(cè)試，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。POLONSKY、TAKAHASHI、HU等[6-8]設(shè)計(jì)了一種新型抗突結(jié)構(gòu)封隔器，有效改善了封隔器膠筒的受力狀態(tài)，提高了現(xiàn)有封隔器的可靠性。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者利用有限元仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了封隔器膠筒的變形協(xié)調(diào)關(guān)系和力學(xué)行為。羅偉等人[9]利用有限元手段研究了膠筒長(zhǎng)度和環(huán)境溫度對(duì)膠筒與井壁之間接觸壓力的影響，結(jié)果表明接觸壓力隨著膠筒的長(zhǎng)度增加而增加。張付英等[10]建立了坐封力和密封壓差作用下接觸應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算模型，確定了膠筒密封性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境因素之間的關(guān)系。呂鳳霞[11]利用有限元手段系統(tǒng)分析了摩擦因數(shù)、工作壓力、流體介質(zhì)溫度、膠筒結(jié)構(gòu)等因素對(duì)膠筒力學(xué)行為的影響。水浩澈等[12]利用ABAQUS有限元軟件研究了溫度變化對(duì)壓裂封隔器膠筒密封性能和疲勞壽命的影響。

目前油井向深井、超深井持續(xù)開(kāi)發(fā)，高溫高壓工作井已成為了新的常態(tài)。而在高溫高壓環(huán)境下，封隔器密封件坐封和密封過(guò)程中容易出現(xiàn)肩突、應(yīng)力松弛等問(wèn)題，造成密封性能下降甚至完全失效，進(jìn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文作者綜合考慮封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、密封條件、結(jié)構(gòu)變形和各組件材料應(yīng)力水平，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有限元分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域化補(bǔ)強(qiáng)和再設(shè)計(jì)，使膠筒密封能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足井下極端工況要求(0.2 MN壓力坐封和204 ℃環(huán)境溫度下70 MPa(10 000 psi)密封壓力)。

1 膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

封隔器在井下坐封力作用下的結(jié)構(gòu)整體變形和局部應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)該滿(mǎn)足所選材料的屈服極限，這樣誘導(dǎo)和控制封隔器的變形成為設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。同時(shí)橡膠在高溫作用下材料的自身剛度和強(qiáng)度極大地減弱，在軸向坐封力作用下變形量較大，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)。各零部件的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要考慮高溫條件下材料自身強(qiáng)度、剛度(特別是撕裂強(qiáng)度)與大變形條件下的邊緣硬度，同時(shí)需要考慮各個(gè)部件誘導(dǎo)膠筒充分變形的能力，從而增大或保持接觸壓力，保證封隔器在井下環(huán)境具有良好的密封性能。

封隔器的密封能力主要取決于密封元件與套件接觸形成的接觸壓力，只有當(dāng)接觸壓力不小于工作壓差時(shí)，封隔器才能起到密封作用。然而單一密封件封隔器很難滿(mǎn)足高溫高壓等較為復(fù)雜工況下的密封要求，而組合密封可以根據(jù)不同密封元件性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)設(shè)計(jì)特定的密封元件，使封隔器能夠適應(yīng)復(fù)雜工況。通過(guò)設(shè)計(jì)多材料、多串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，能提高結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平的均勻性，防止應(yīng)力水平過(guò)高而造成膠筒破損，同時(shí)也能減弱膠筒長(zhǎng)時(shí)間在極端工況下老化疲勞帶來(lái)的性能損失。

圖1所示為設(shè)計(jì)的新型封隔器結(jié)構(gòu)示意圖。膠筒總成最大外徑206 mm，最小內(nèi)徑150 mm，試驗(yàn)套管最大內(nèi)徑224.4 mm。膠筒上端設(shè)計(jì)一個(gè)40Cr剛性壓環(huán)，用于支撐下端的20GrNiMo金屬支撐環(huán)和護(hù)肩。20GrNiMo材質(zhì)熱強(qiáng)性較高，在溫度接近500 ℃時(shí)其熱強(qiáng)性仍高，能保證封隔器在井下工作時(shí)金屬構(gòu)件具有穩(wěn)定的性能。在承受軸向坐封載荷和密封壓力時(shí)，金屬護(hù)肩護(hù)環(huán)塑性變形與套管貼合產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力，防止膠筒朝油套環(huán)形空間滑移，并具有防止膠筒發(fā)生肩突的功能；同時(shí)金屬護(hù)肩在承受密封油壓時(shí)充分變形，與套環(huán)接觸能夠產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，在長(zhǎng)時(shí)間204 ℃高溫載荷工況下，金屬塑性變形后與套管接觸能夠保持較高的接觸應(yīng)力，充當(dāng)次級(jí)密封裝置，防止下端PTFE護(hù)環(huán)和橡膠膠筒產(chǎn)生流動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)擠出套筒，造成密封性能的下降。金屬護(hù)肩下端設(shè)計(jì)了一個(gè)PTFE護(hù)環(huán)，充當(dāng)結(jié)構(gòu)的緩沖裝置。PTFE剛度介于20GrNiMo和AFLAS90橡膠之間，其能夠誘導(dǎo)下部橡膠膠筒變形，防止膠筒在承受極端載荷時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)而發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞；同時(shí)，PTFE護(hù)環(huán)充分變形能夠保護(hù)膠筒以避免發(fā)生硬性破壞，提高膠筒的使用壽命；此外，PTFE具有良好的致密性和穩(wěn)定性(耐腐蝕耐高溫)，可以有效預(yù)防膠筒在服役過(guò)程中發(fā)生氣透現(xiàn)象。護(hù)環(huán)與壓環(huán)中間設(shè)計(jì)了一個(gè)PEEK三角環(huán)，其硬度高于PTFE而低于剛性壓環(huán)，在封隔器工作過(guò)程中起填充作用，使結(jié)構(gòu)的間隙能夠充分地被填充，防止PTFE護(hù)環(huán)過(guò)度的變形填充間隙而造成損壞，導(dǎo)致膠筒接觸應(yīng)力水平下降，影響膠筒密封能力。護(hù)環(huán)下端是由一個(gè)AFLAS90邊膠筒、AFLAS80中膠桶、AFLAS90邊膠筒組合而成的膠筒區(qū)域。AFLAS橡膠具有較強(qiáng)的耐腐蝕耐高溫特性，在井下高溫環(huán)境下能夠維持較為穩(wěn)定的性能。高硬度的邊膠筒變形能夠使封隔器上下兩端的接觸壓力處于較高水平，中膠筒中部設(shè)計(jì)了一個(gè)U形槽用于誘導(dǎo)中膠筒充分變形從而獲得更高的接觸應(yīng)力，提高封隔器的密封能力。

圖1 新型封隔器結(jié)構(gòu)示意(a)及封隔器實(shí)體(b)Fig.1 Schematic of a new type of packer structure (a)and its physical structure(b)

2 試驗(yàn)測(cè)試

橡膠試樣的制作參考GB/T 528—2009，試樣結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。首先將試樣安裝在204 ℃恒溫箱中，溫度的調(diào)節(jié)參考GB/T 2941—91。橡膠試樣的測(cè)試過(guò)程參考GB/T 528—2009，試驗(yàn)前檢查試樣是否對(duì)中，確認(rèn)無(wú)誤后，試驗(yàn)機(jī)以400 mm/min的速率加載，直至試樣斷裂，并記錄數(shù)據(jù)。測(cè)試共進(jìn)行3組重復(fù)性試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 試樣結(jié)構(gòu)和尺寸Fig.2 Sample structure and dimensions

圖3 204 ℃下AFLAS90拉伸測(cè)試結(jié)果Fig.3 AFLAS90 tensile test results at 204°C

封隔器膠筒的測(cè)試方法參考API 11D1 V0[13]，首先在常溫下對(duì)封隔器施加0.2 MN坐封力，記錄膠筒壓縮距后將膠筒升溫至204 ℃并保溫2 h，然后進(jìn)行壓力加載。壓力加載進(jìn)程為：對(duì)膠筒下部施加15 MPa環(huán)空壓力載荷，待壓力穩(wěn)定后保壓2 min；持續(xù)加壓至25 MPa，并保持壓力穩(wěn)定2 min；繼續(xù)加壓至35 MPa，并保持壓力穩(wěn)定2 min；繼續(xù)加壓至50 MPa，并保持壓力穩(wěn)定2 min；繼續(xù)加壓至60 MPa，并保持壓力穩(wěn)定2 min；繼續(xù)加壓至70 MPa，并穩(wěn)定壓力120 min。分別記錄不同壓力下穩(wěn)定后試驗(yàn)數(shù)據(jù)，上環(huán)無(wú)空氣氣泡溢出為合格。接下來(lái)泄壓并換向，進(jìn)行上部環(huán)空測(cè)試，方法與膠筒下部的測(cè)試方法一致，如此循環(huán)對(duì)封隔器的上部和下部各進(jìn)行9次循環(huán)環(huán)空壓力測(cè)試。

封隔器試驗(yàn)前后的形貌如圖4所示，對(duì)比可以觀察到封隔器上部和下部金屬支撐環(huán)、護(hù)肩和PTFE護(hù)環(huán)有較大的塑性變形，金屬護(hù)肩能夠完全包覆PTFE護(hù)環(huán)，PTFE護(hù)環(huán)能夠完全包覆邊膠筒。封隔器膠筒向外側(cè)擴(kuò)張，表面能觀察到微小的裂紋和鼓包，測(cè)試過(guò)程中封隔器膠筒無(wú)漏氣現(xiàn)象，設(shè)計(jì)的膠筒能在204 ℃溫度、70 MPa環(huán)空壓力下正常工作。

圖4 封隔器膠筒試驗(yàn)前后形貌Fig.4 Packer topography before and after test：(a)before test；(b)after test

3 有限元分析

封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際服役中具有較強(qiáng)的非線(xiàn)性力學(xué)行為，利用有限元分析手段，根據(jù)真實(shí)的承載情況對(duì)封隔器的邊界條件和接觸屬性進(jìn)行設(shè)置，能夠定性和定量地分析封隔器的承載情況。

越瓷出現(xiàn)的首要目的是作為日常生活用具，但是隨著人們物質(zhì)文化生活水平的改善，越瓷組合的出現(xiàn)卻成為人們享受生活美的一種重要形式。

橡膠筒作為封隔器實(shí)現(xiàn)密封性能的主要部件，其力學(xué)性能對(duì)溫度十分敏感，高溫條件下橡膠材料在承載時(shí)易發(fā)生大變形，其在變形過(guò)程中體積幾乎不變。文中采用Yeoh模型[14]描述橡膠材料的力學(xué)行為，其應(yīng)變能函數(shù)可以表示為

(1)

式中：N、Ci0、dk為材料常數(shù)，由材料實(shí)驗(yàn)所確定。

初始的剪切模量μ=2C10[15]，對(duì)于不可壓縮橡膠J=1。文中采用3階的Yeoh模型，可以表示為

W(C)=W(I1，I2，I3)

(2)

其應(yīng)變能W是由Cauchy-Green變形張量C的不變量I1、I2、I3的函數(shù)，即：

(3)

其中：

(4)

式中：I1、I2、I3分別表示第一、第二、第三應(yīng)變張量不變量；λ1、λ2、λ3分別表示材料3個(gè)主方向的伸長(zhǎng)比(λi=1+εi，εi表示第i個(gè)主方向的應(yīng)變)。

橡膠材料可以經(jīng)過(guò)大變形而體積保持不變，可以被認(rèn)為是不可壓縮材料，所以在分析過(guò)程中I3=1。忽略第二不變量的影響，其應(yīng)力狀態(tài)可以表示為

(5)

(6)

以上得到了橡膠材料應(yīng)力與伸長(zhǎng)比之間的關(guān)系，通過(guò)拉伸比與應(yīng)變的關(guān)系，能夠得到橡膠材料在主方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

(7)

通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可得到待定的C10、C20、C30，將其作為輸入?yún)?shù)輸入到材料屬性中即可完成對(duì)橡膠本構(gòu)的設(shè)定。

文中利用商業(yè)軟件ABAQUS針對(duì)封隔器在井下工作的承載情況建立接觸有限元模型，如圖5所示。

針對(duì)封隔器在0.2 MN軸向力坐封后，密封單元結(jié)構(gòu)在70 MPa壓力下的工作情況進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為兩步，第一步計(jì)算封隔器密封單元在承受0.2 MN軸向力的承載情況；第二步計(jì)算封隔器密封單元在承受0.2 MN軸向力坐封的基礎(chǔ)上施加70 MPa的環(huán)空液壓。各個(gè)零部件之間設(shè)置了面對(duì)面的剛性接觸，各零部件之間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3[16]。同時(shí)考慮到封隔器膠筒在承載過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大變形而造成膠筒自身之間相互侵入，在各個(gè)膠筒表面設(shè)置了自接觸。模型使用CAX4R網(wǎng)格單元，上部的壓環(huán)限制X、Z方向的位移以及X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，下部壓環(huán)和套筒結(jié)構(gòu)施加固定約束，同時(shí)將軸向力載荷施加到壓環(huán)上[17]。在施加軸向力坐封封隔器之后，在壓環(huán)和支撐環(huán)與液壓油接觸的區(qū)域施加壓力載荷，壓力載荷分段線(xiàn)性加載。分段線(xiàn)性加載使用ABAQUS-Restart功能反復(fù)迭代線(xiàn)性加載的方式施加流體壓力載荷，通過(guò)繼承上一步計(jì)算的封隔器的變形狀態(tài)確定流體壓力載荷的施加區(qū)域，如圖6所示。

圖6 加載區(qū)域確定及壓力載荷約束設(shè)置Fig.6 Loading region determination and pressure load constraint setting

膠筒承受載荷變形后與金屬套管接觸從而產(chǎn)生接觸應(yīng)力，膠筒變形能力直接影響封隔器的密封能力。圖7 展示了膠筒在承受坐封載荷和密封載荷的變形位移云圖。從圖7(a)中可以看出，膠筒在承受坐封力時(shí)最大變形量在96 mm左右，膠筒與金屬護(hù)肩完全貼合在金屬套管上，上部護(hù)肩支撐環(huán)卡死，此時(shí)膠筒具有一定的密封能力；但中膠筒中部U形槽未被完全填充，仍有一定間隙，底部金屬支撐環(huán)變形但未與壓環(huán)完全貼合。在此基礎(chǔ)上施加密封壓力后，如圖7(b)所示，此時(shí)膠筒的最大變形量達(dá)到130.9 mm，中膠筒U形槽上下開(kāi)口完全貼合在一起，底部金屬支撐環(huán)進(jìn)一步變形與壓環(huán)完全貼合，封隔器各個(gè)零部件充分變形完全填充封隔器的內(nèi)壁和外壁，各零部件之間無(wú)明顯的間隙，此時(shí)膠筒充分變形擠壓套管從而提高接觸壓力。

圖7 膠筒承受坐封載荷和密封載荷下的變形位移云圖(mm)Fig.7 The deformation and displacement diagram of the rubber cylinder(mm)：(a)0.2 MN setting force；(b)70 MPa sealing pressure

圖8 展示了膠筒的接觸應(yīng)力分布，可以看出，最大接觸應(yīng)力位于金屬支撐環(huán)與套管接觸區(qū)域，幅值為230 MPa左右，支撐環(huán)下端金屬護(hù)肩和PTFE護(hù)環(huán)與套管應(yīng)力的最大接觸應(yīng)力幅值分別為160和110 MPa左右，遠(yuǎn)大于封隔器工作壓差70 MPa，表明封隔器具有較為優(yōu)良的防突功能，同時(shí)金屬結(jié)構(gòu)也能夠充當(dāng)次級(jí)密封裝置。此外，上部邊膠筒與套管的接觸應(yīng)力幅值在80 MPa左右，大于工作壓差70 MPa，能夠保證封隔器膠筒穩(wěn)定工作而不發(fā)生泄漏。下部膠筒的接觸壓力逐漸減小，中膠筒的最大密封壓力在50 MPa左右，下部邊膠筒的峰值接觸壓力僅為25 MPa左右。

圖8 封隔器接觸應(yīng)力分布Fig.8 Contact stress distribution of packer

橡膠筒在工作時(shí)本身的應(yīng)力狀態(tài)是評(píng)價(jià)膠筒是否損壞的重要參考指標(biāo)。橡膠筒在受壓時(shí)的應(yīng)力云圖如圖9所示，橡膠在與上部PTFE護(hù)環(huán)接觸區(qū)域存在局部應(yīng)力集中，橡膠的最大拉應(yīng)力不超過(guò)8 MPa，最大的壓應(yīng)力在88 MPa左右，同時(shí)膠筒的剪切應(yīng)力幅值不超過(guò)12 MPa。膠筒在充分變形后，中膠筒U形開(kāi)口槽引導(dǎo)中膠筒充分變形，中膠筒中部開(kāi)始貼合，上下開(kāi)口開(kāi)始相互擠壓造成局部應(yīng)力集中，相互擠壓造成過(guò)高的應(yīng)力可能導(dǎo)致橡膠撕裂，從而造成膠筒的密封性能減弱，后期設(shè)計(jì)將考慮在U形槽外添加U形承流環(huán)，防止中膠筒中部過(guò)度變形而造成橡膠失效。

圖9 204 ℃下封隔器密封條件下橡膠筒應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of the rubber cylinder under the sealing condition of the packer at 204 ℃：(a)Mises stress；(b) transverse stress S11；(c)axial stress S22；(d)shear stress S12

結(jié)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的封隔器膠筒在密封過(guò)程中膠筒變形承受較大的軸向載荷，金屬支撐環(huán)和護(hù)肩能夠提供較大的接觸應(yīng)力防止發(fā)生肩突現(xiàn)象。上部邊膠筒與護(hù)環(huán)接觸的區(qū)域存在局部應(yīng)力集中，且上部邊膠筒承受的接觸應(yīng)力最大，變形量最嚴(yán)重，長(zhǎng)期作用于惡劣的井底環(huán)境，容易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致膠筒產(chǎn)生塑性變形無(wú)法回彈。中膠筒U形槽區(qū)域，在密封壓力載荷下上下開(kāi)槽相互擠壓產(chǎn)生應(yīng)力集中，易造成膠筒撕裂導(dǎo)致氣密性下降。

4 結(jié)論

根據(jù)封隔器密封原理設(shè)計(jì)一款新型封隔器膠筒結(jié)構(gòu)，并結(jié)合橡膠的超彈性本構(gòu)和有限元分析方法，分析了封隔器在204 ℃溫度、0.2 MN坐封力坐封、70 MPa密封壓力這一較為極端環(huán)境下的密封性能。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的封隔器能夠滿(mǎn)足工作需要，膠筒與套管產(chǎn)生的接觸壓力大于工作壓差，能夠保證封隔器穩(wěn)定工作而不發(fā)生泄漏。此外，金屬支撐環(huán)和護(hù)肩塑性變形貼合套管能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)大于70 MPa的接觸應(yīng)力，表明設(shè)計(jì)的封隔器具有較強(qiáng)的防突性能和密封性能。