氣體封隔器密封單元的增強(qiáng)方法與安全分析

程文佳 李越 徐鳳祥 魏瑞濤 葛垣 王雷鵬

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司 2.陜西思銳機(jī)電科技有限公司)

0 引 言

封隔器是油氣井分層分段開(kāi)采的關(guān)鍵工具。近年來(lái)，隨著鉆井深度不斷增加，井底溫度和壓力不斷增大，高溫高壓井已成為新的常態(tài)[1-2]。封隔器膠筒在高溫高壓載荷工況下極易發(fā)生失效，不僅會(huì)影響油氣井的生產(chǎn)安全，也會(huì)造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。因此，開(kāi)展高溫高壓等特殊工況下封隔器密封單元增強(qiáng)方法的研究與實(shí)踐十分重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同使用工況下封隔器膠筒的密封性能進(jìn)行了分析，并取得了一定成果。郭飛等[5]研制了一種能夠適用于井下350 ℃高溫和20 MPa高壓的封隔器密封性能測(cè)試裝置，分析了惡劣工況下膠筒紫銅包覆量、環(huán)空腔體內(nèi)介質(zhì)種類對(duì)膠筒力學(xué)性能和密封性能的影響。張付英等[6]使用有限元的方法分析了不同條件下膠筒與套管間接觸應(yīng)力以及溫度對(duì)封隔器膠筒密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)封隔器的密封性能影響較大，升溫可提高膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力，而降溫會(huì)使膠筒與套管的接觸應(yīng)力減小。王龍[7]通過(guò)對(duì)封隔器卡瓦合金塊的4個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，優(yōu)化了卡瓦合金塊的安裝間距、安裝傾角、直徑以及卡瓦楔角，減輕了原有卡瓦的應(yīng)力集中現(xiàn)象。盧明等[8]考慮橡膠材料、幾何形狀和受力狀態(tài)等多重非線性特征，設(shè)計(jì)了自重“長(zhǎng)硬膠筒-短軟膠筒-長(zhǎng)硬膠筒”的密封結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)工作階段封隔器主要依靠中膠筒實(shí)現(xiàn)密封。水浩澈[9]利用有限元方法分析了膠筒在不同溫度下的最大接觸應(yīng)力及密封吸能系數(shù)，發(fā)現(xiàn)軸向載荷不變時(shí)，隨著溫度升高，膠筒的最大接觸應(yīng)力增加，密封性能提升。F.HASSANI等[10]研究了HNBR彈性體封隔器在熱老化中的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)老化可能引發(fā)密封元件的彈性失效和斷裂；當(dāng)施加的壓應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到填料元件膨脹和密封間隙所需的力，就會(huì)造成彈性失效。當(dāng)使用溫度超過(guò)150 ℃就會(huì)發(fā)生斷裂。V.L.POLONSKY等[11]將封隔器圓柱形膠筒設(shè)計(jì)為圓錐形，同時(shí)使用軟硬膠筒組合和彈簧環(huán)防突裝置，增強(qiáng)了封隔器的密封性能。WANG J.N.等[12]通過(guò)對(duì)封隔器膠筒不同參數(shù)研究，指出橡膠的壓縮距離及橡膠和套管的接觸壓力與設(shè)定載荷均成正比。

上述研究大多集中于單一工況下封隔器膠筒結(jié)構(gòu)的密封性能，缺乏綜合考慮封隔器膠筒運(yùn)動(dòng)、材料、受力、結(jié)構(gòu)，以及高溫高壓條件下密封性能的研究。鑒于此，筆者提出了多材料、多串聯(lián)的封隔器膠筒結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方案，提高坐封成功率和避免發(fā)生初始破壞。對(duì)常規(guī)三單元密封膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了區(qū)域化增強(qiáng)和再設(shè)計(jì)；通過(guò)拉伸試驗(yàn)和Yeoh理論獲得橡膠的本構(gòu)模型參數(shù)；建立組合式三單元膠筒有限元三維模型，研究井下極端工況下(環(huán)境溫度204℃、密封壓力70 MPa)膠筒的應(yīng)力和變形規(guī)律；結(jié)合所設(shè)計(jì)的氣體封隔器膠筒密封單元實(shí)物，進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，取得了良好的密封效果。

1 封隔器密封單元增強(qiáng)方法

1.1 傳統(tǒng)三單元膠筒結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的單一橡膠密封件在高溫作用下，材料的自身剛度和強(qiáng)度極大地減弱。在軸向坐封力下變形量增大，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而組合密封可通過(guò)不同材料密封組件優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)滿足井下復(fù)雜環(huán)境的要求。但目前一些常規(guī)的組合密封膠筒在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多問(wèn)題：一是膠筒坐封壓力小，在高壓下容易壓潰，如圖1所示；二是在高溫高壓環(huán)境下，封隔器膠筒穩(wěn)壓效果差，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖1 常規(guī)三單元膠筒破壞圖

1.2 多材料組合式增強(qiáng)方案

鑒于現(xiàn)有封隔器三單元膠筒結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，以及含硫化氫氣體封隔器對(duì)密封單元的要求，提出了多材料、多串聯(lián)的封隔器膠筒結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方案。該方案能使膠筒在坐封時(shí)避免發(fā)生初始破壞，提高結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力水平，防止局部高應(yīng)力水平造成膠筒破損，降低膠筒長(zhǎng)時(shí)間在極端工況下老化帶來(lái)的性能損失。所設(shè)計(jì)的HPHT105-232-V0型含硫化氫高溫高壓氣體封隔器密封單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。膠筒總成最大外徑207.5 mm，最小內(nèi)徑173.0 mm，試驗(yàn)套管最大內(nèi)徑222.5 mm。

圖2 多材料組合式膠筒結(jié)構(gòu)

相較于常規(guī)三單元膠筒結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)的上、下邊膠筒與金屬護(hù)肩之間有護(hù)環(huán)，同時(shí)在金屬護(hù)肩上方依次增加三角環(huán)、支撐環(huán)、壓環(huán)。護(hù)環(huán)材料為聚四氟乙烯(PTFE)。PTFE護(hù)環(huán)能夠誘導(dǎo)下部膠筒變形，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)破壞。三角環(huán)材料為聚醚醚酮(PEEK)，在封隔器膠筒工作過(guò)程中起填充作用。金屬護(hù)肩可防止PTFE護(hù)環(huán)由于流動(dòng)應(yīng)力擠出套筒，防止密封性能減弱。壓環(huán)材料為20CrNiMo，用于支撐上部非金屬護(hù)肩及邊膠筒。膠筒材料為耐腐蝕、耐高溫的四丙氟橡膠(AFLAS)，上、中、下膠筒依次為AFLAS90、AFLAS80、AFLAS90的硬-軟-硬組合。膠筒之間設(shè)有42CrMo的金屬隔環(huán)，使膠筒能夠各自變形而互不影響，保證膠筒的應(yīng)力平衡。中膠筒在封隔器整體結(jié)構(gòu)中起主要密封作用，中膠筒內(nèi)部中間位置設(shè)計(jì)有U形槽，誘導(dǎo)其充分變形從而獲得更高的接觸應(yīng)力，以增強(qiáng)封隔器的密封能力。封隔器密封單元的材料參數(shù)如表1所示。

表1 封隔器材料參數(shù)表

2 密封單元材料的性能測(cè)試

2.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與方法

AFLAS90試樣的制作參考GB/T 528—2009[13]，試樣尺寸如圖3(左上)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—1991[14]。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)以速率400 mm/min進(jìn)行加載，直至試樣斷裂，并記錄數(shù)據(jù)。

圖3 溫度204 ℃下AFLAS90拉伸測(cè)試結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試共進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，同一材料在重復(fù)試驗(yàn)下，性能穩(wěn)定，3條曲線基本重合。其次，在拉力不斷加載中，材料的應(yīng)力都呈近直線上升，且斷裂區(qū)間在2.5～3.0 MPa之間。

2.3 膠筒材料本構(gòu)模型

由于橡膠材料的非線性力學(xué)特征不能利用彈性模量和泊松比進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，在橡膠性能測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上形成了許多能夠表征橡膠變形的理論模型。其中典型的有Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型和Ogden模型。考慮Moonry-Rivlin模型和Ogden模型不能有效描述橡膠的壓縮變形[15]，Gregory提出應(yīng)變能密度函數(shù)W三階表達(dá)式，即：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)+C20(I1-3)2+

C11(I1-3)(I2-3)+C30(I1-3)3

(1)

式中：W為應(yīng)變能密度，J/m3；Ii為第i方向的應(yīng)變不變量；Cij是材料常數(shù)，GPa。

研究表明，?W/?I2遠(yuǎn)小于?W/?I1，且近似為0。因此，Yeoh假設(shè)?W/?I2=0，式(1)對(duì)I2取偏導(dǎo)數(shù)可得：

(2)

可得C01=0，C11=0。代入式(1)可得：

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(3)

式(3)即為Yeoh模型，適用于不同變形方式的拉伸試驗(yàn)[16-17]。

取試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的平均值與Mooney-Rivlin本構(gòu)模型、Yoeh本構(gòu)模型和Ogden本構(gòu)模型曲線進(jìn)行擬合并比較，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，Yeoh模型模擬橡膠力學(xué)性能較為精確，故選用Yeoh本構(gòu)模型。根據(jù)其應(yīng)變能函數(shù)和材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定該橡膠材料參數(shù)。通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可得到待定C10、C20、C30。其中C10是單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的零度系數(shù)值，C10=0.323；C20是曲線的一次項(xiàng)系數(shù)的，C20=0.038；C30是曲線的二次項(xiàng)系數(shù)的，C30=-0.002。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。

圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本構(gòu)模型關(guān)系

3 增強(qiáng)單元的有限元分析

3.1 幾何模型

有限元分析軟件ABAQUS被證明可以很好地計(jì)算封隔器膠筒在井下工作的承載情況[18]。考慮到封隔器膠筒各個(gè)部件都是類圓筒結(jié)構(gòu)，本文將封隔器膠筒各個(gè)部件簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各個(gè)草圖繪制的區(qū)域以對(duì)稱軸為參考與各個(gè)零部件橫截面的空間分布區(qū)域完全一致，如圖5所示。

圖5 封隔器膠筒橫截面空間分布

3.2 邊界及載荷

模型邊界條件：在各個(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[19]?？紤]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C3D8R網(wǎng)格單元，上部的壓環(huán)限制x、z方向的位移和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，將軸向力載荷施加到壓環(huán)上。在施加軸向力坐封封隔器膠筒之后，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。壓力載荷分段線性加載，擬針對(duì)封隔器膠筒在200 kN軸向力坐封后，膠筒結(jié)構(gòu)在70 MPa密封壓力下的工作情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

載荷：第一步先計(jì)算封隔器膠筒在承受200 kN軸向力的承載情況(包括應(yīng)力、位移和應(yīng)變)；第二步計(jì)算封隔器膠筒在承受200 kN軸向力坐封之后，封隔器膠筒承受70 MPa環(huán)空壓差的情況。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

封隔器膠筒的密封性能主要由膠筒與套管內(nèi)壁的接觸壓力決定，膠筒承受載荷變形后與套管內(nèi)壁接觸，從而產(chǎn)生接觸應(yīng)力。圖6展示了膠筒在承受坐封載荷和密封載荷的變形云圖。

圖6 膠筒不同條件下變形位移圖

由圖6a可知，膠筒在承受坐封力時(shí)最大變形量為87.137 mm，此時(shí)膠筒與金屬護(hù)肩已經(jīng)完全貼合在金屬套管上，上部護(hù)肩支撐環(huán)卡死，膠筒具有一定的密封能力。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)變形較大，但與下部壓環(huán)依然有間隙。

在此基礎(chǔ)上施加密封壓力后(見(jiàn)圖6b)，膠筒的最大變形量達(dá)到94.785 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；封隔器膠筒各個(gè)部件充分變形且已完全填充套管的內(nèi)壁，各零部件之間無(wú)明顯的間隙，膠筒已充分變形且達(dá)到最大接觸應(yīng)力。

圖7展示了膠筒的接觸應(yīng)力分布圖。從圖7可以看出：最大接觸應(yīng)力位于金屬護(hù)環(huán)與套管接觸區(qū)域，幅值為240 MPa；支撐環(huán)下端金屬護(hù)肩和PTFE護(hù)環(huán)與套管最大接觸應(yīng)力分別為160和130 MPa，大于封隔器工作壓差70 MPa，可以保證封隔器膠筒具有較為優(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)密封功能。此外，上部邊膠筒與套管的接觸應(yīng)力幅值為85 MPa，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。下部膠筒的接觸應(yīng)力逐漸減小，中膠筒的最大密封應(yīng)力為60 MPa，下部邊膠筒的峰值接觸壓力僅為40 MPa。

圖7 封隔器膠筒接觸應(yīng)力

封隔器膠筒在工作時(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)[20-21]。橡膠筒在受壓作用下的應(yīng)力情況如圖8所示。

圖8 溫度204 ℃下封隔器密封條件下橡膠筒應(yīng)力云圖

端部膠筒在與上部PTFE護(hù)環(huán)接觸區(qū)域存在局部應(yīng)力集中，軸向方向膠筒橡膠材料的最大拉應(yīng)力不超過(guò)10.185 MPa，最大Mises應(yīng)力為50.686 MPa。由于膠筒在承載過(guò)程中隔環(huán)擠壓膠筒造成較大的剪切應(yīng)力集中，但膠筒的剪切應(yīng)力幅值不超過(guò)11.546 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。這說(shuō)明端部膠筒具有良好的基體彈性及強(qiáng)度儲(chǔ)備；中膠筒具有良好的潛在密封功能；依次，下部膠筒具有強(qiáng)大的代替密封能力。

4 增強(qiáng)單元的密封安全性測(cè)試

4.1 密封安全性測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)

HPHT105-232-V0型含硫化氫高溫高壓氣體封隔器密封單元的測(cè)試方法，遵循API 11D1 V0條款和試驗(yàn)規(guī)程[22]。在204 ℃高溫下對(duì)封隔器膠筒施加200 kN坐封力，記錄膠筒壓縮距；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，保持壓力穩(wěn)定2 min；繼續(xù)加壓至60 MPa，保持壓力穩(wěn)定2 min；繼續(xù)加壓至70 MPa，穩(wěn)定壓力120 min后，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。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)封隔器膠筒的上部和下部各進(jìn)行3次環(huán)空壓力測(cè)試。

保持溫度不變，按照上述壓力測(cè)試梯度，再次對(duì)下部環(huán)空和上部環(huán)空分別進(jìn)行各3次壓力測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后，降溫至120 ℃后對(duì)封隔器下部進(jìn)行循環(huán)加壓至70 MPa并保持壓力穩(wěn)定120 min；隨后，泄壓換向并升溫至204 ℃對(duì)封隔器膠筒上部環(huán)空加壓至70 MPa并保持壓力穩(wěn)定120 min，記錄數(shù)據(jù)，下部環(huán)空無(wú)氣泡溢出為合格。

4.2 測(cè)試結(jié)果

封隔器膠筒試驗(yàn)后的形貌圖如圖9所示。對(duì)比可以觀察到封隔器膠筒上部和下部金屬支撐環(huán)、護(hù)肩和PTFE護(hù)環(huán)有一定的塑性變形，金屬護(hù)肩能夠完全包覆PTFE護(hù)環(huán)，PTFE護(hù)環(huán)能夠完全包覆端部膠筒。

圖9 封隔器膠筒測(cè)試形貌圖

封隔器膠筒向外側(cè)擴(kuò)張，外表面無(wú)明顯的損傷，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 ℃和70 MPa的環(huán)空壓力下正常工作。

4.3 綜合分析

由數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的組合膠筒結(jié)構(gòu)在密封過(guò)程中可以承受較大的軸向載荷，金屬支撐環(huán)和護(hù)肩塑性變形能夠提供較大的接觸應(yīng)力，防止發(fā)生肩突現(xiàn)象。

上部端膠筒是整個(gè)密封單元受載最嚴(yán)重的部件。它與護(hù)環(huán)接觸的區(qū)域存在局部應(yīng)力集中，但應(yīng)力等級(jí)和變形量并不大，其最大拉應(yīng)力不超過(guò)強(qiáng)度極限的61%，具有充分的安全性儲(chǔ)備。因此，整個(gè)密封單元具有足夠的工作安全性。

5 結(jié) 論

(1)提出了一種多材料組合式封隔器密封單元的增強(qiáng)方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)硬-軟-硬三膠筒結(jié)構(gòu)，在上下邊膠筒與金屬護(hù)肩之間增加護(hù)環(huán)，同時(shí)在金屬護(hù)肩上方依次增加支撐環(huán)、三角環(huán)和壓環(huán)。新的密封單元具有良好的密封性能和安全性。

(2)采用增強(qiáng)方法設(shè)計(jì)的HPHT105-232-V0型含硫化氫高溫高壓氣體封隔器密封單元，在200 kN坐封力和70 MPa環(huán)空壓力下，膠筒的最大變形量為94.785 mm；最大接觸應(yīng)力位于金屬護(hù)環(huán)與套管接觸區(qū)域，幅值為240 MPa。支撐環(huán)下端金屬護(hù)肩和PTFE護(hù)環(huán)與套管的最大接觸應(yīng)力分別為160和130 MPa。上部邊膠筒與套管的最大接觸應(yīng)力85 MPa。封隔器各部件與套管內(nèi)壁的接觸應(yīng)力均大于70 MPa的環(huán)空壓力，滿足高壓環(huán)境下的密封性能要求。

(3)對(duì)HPHT105-232-V0型含硫化氫高溫高壓氣體封隔器，在高溫高壓下進(jìn)行了增強(qiáng)單元的密封安全性測(cè)試。結(jié)果顯示封隔器膠筒向外側(cè)擴(kuò)張，外表面無(wú)明顯的損傷，測(cè)試過(guò)程中封隔器膠筒無(wú)漏氣現(xiàn)象，所設(shè)計(jì)的多材料組合式膠筒結(jié)構(gòu)能在204 ℃下、20 kN坐封力和70MPa的環(huán)空壓力下正常工作，具有足夠的密封安全性。