擴(kuò)張式封隔器膠筒密封性能分析及參數(shù)優(yōu)化

摘"" 要：封隔器作為油氣資源開發(fā)過程中的重要工具，保證封隔器具有良好的密封性能對于油田增產(chǎn)增收具有重要意義。膠筒的力學(xué)性能和密封性能是封隔器具有良好密封的重要保障。利用國產(chǎn)工業(yè)仿真平臺Simdroid對某型號擴(kuò)張式封隔器膠筒進(jìn)行有限元分析，分析在不同坐封壓力下封隔器膠筒的力學(xué)性能和密封性能，并根據(jù)仿真結(jié)果對封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，膠筒與套管壁的接觸應(yīng)力隨著內(nèi)壓的增大而增大，且基本成線性關(guān)系。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)較優(yōu)化之前膠筒錨定力提升16.5%，可適應(yīng)更加復(fù)雜的現(xiàn)場工況。

關(guān)鍵詞：封隔器膠筒;有限元;數(shù)值仿真;工作性能;Simdroid

中圖分類號：TE931.2""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.005

Analysis of The Sealing Performance and Parameter Optimization of The

Expandable Type Packer Cartridges

ZHANG Heng， LIU Yanxin， HUANG Zhihong

（School of Electromechanical Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： The packer serves as a critical component in the development of oil and gas resources. It is therefore essential that it performs its sealing function effectively in order to maximise production and revenue in oilfields. This research conducted a finite element analysis of a specific model of an expanding packer barrel using the domestic industrial simulation platform Simdroid. The study evaluated the mechanical properties and sealing effectiveness of the packer barrel under varying seating pressures and optimized its structural parameters based on the simulation results. The findings indicate that the contact stress between the barrel and the casing wall increases with internal pressure， displaying a nearly linear relationship. Furthermore， the optimized structure enhances the anchoring force of the barrel by 16.5% compared to its pre-optimized condition， thereby enabling better adaptation to more complex field scenarios.

Key words： packer cartridges; finite element; numerical simulation; operational performance; simdroid

收稿日期： 2024-08-07

基金項(xiàng)目： 教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（220906517155007）。

作者簡介： 張 衡（1998-），男，河南焦作人，碩士研究生，現(xiàn)從事石油裝備設(shè)計(jì)開發(fā)工作，E-mail：jhdxpz@163.com。

文章編號：1001-3482（2025）01-0024-06

油田開發(fā)進(jìn)入中后期，井下開采環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，地層中的剩余油藏高度分散，穩(wěn)油控水難度增大，需要通過注水的方式補(bǔ)充地層能量。封隔器作為地層能量補(bǔ)充工作中的重要工具，用戶對其防蠕動性能和密封性能也日益提高[1-3]。井下開采時，經(jīng)常出現(xiàn)因封隔器密封不嚴(yán)而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和能源消耗。封隔器膠筒結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸不合理會引起膠筒的密封失效，且較大的殘余變形也會造成封隔器起封困難，所以封隔器的結(jié)構(gòu)參數(shù)會直接影響到封隔器的工作性能。封隔器的密封性能取決于膠筒和套管之間接觸應(yīng)力的峰值及分布情況，接觸應(yīng)力足夠大時才能有效完成油套環(huán)空的封隔[4～6]。

雖然常規(guī)封隔器可以承受一定范圍內(nèi)較大壓力差，但是在大壓差精細(xì)分層注水管柱進(jìn)行注水、停注、洗井等工況轉(zhuǎn)換時，封隔器的受力狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)改變，容易引起封隔器在管柱內(nèi)部的蠕動，從而加劇封隔器膠筒的磨損，最終導(dǎo)致封隔器密封失效。

按照封隔器的工作原理可以將封隔器分為自封式封隔器、壓縮式封隔器、楔入式封隔器和擴(kuò)張式封隔器。由于擴(kuò)張式封隔器具有外徑小、擴(kuò)張系數(shù)大、密封段長的優(yōu)點(diǎn)，在石油領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。文獻(xiàn)[8-9]對擴(kuò)張式封隔器膠筒進(jìn)行了研究，擴(kuò)張式封隔器在坐封時，從中心管施加液壓，液體壓力由中心管的出液孔傳入膠筒內(nèi)腔，從而促使膠筒從內(nèi)部向外膨脹變形緊貼套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)對油套環(huán)空的密封;在解封時，釋放油管內(nèi)部的壓力后，膠筒收回實(shí)現(xiàn)解封。

本文利用國產(chǎn)工業(yè)仿真平臺Simdroid研究擴(kuò)張式封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于封隔器密封性能的影響規(guī)律，為封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)，保證封隔器安全可靠工作。

1 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定

膠筒作為封隔器的核心部件，膠筒的性能決定了封隔器的性能。膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化會導(dǎo)致膠筒在工作過程中的變形和力學(xué)性能發(fā)生變化，從而影響到封隔器膠筒的密封性能。封隔器在工作時需要膠筒產(chǎn)生較大的變形才能實(shí)現(xiàn)對套管的密封，封堵住油套環(huán)空。封隔器膠筒的變形極不均勻，特別是膠筒工作段兩端的肩部，在很小的肩部產(chǎn)生較大的變形，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的蠕動和應(yīng)力集中，這種變形特征決定了封隔器膠筒的失效形式，主要為肩部突出或者撕裂[7，10]。根據(jù)以上存在的問題，設(shè)計(jì)如圖1所示的擴(kuò)張式封隔器膠筒結(jié)構(gòu)。封隔器膠筒擴(kuò)張段的表面設(shè)計(jì)有溝槽，可以實(shí)現(xiàn)降低坐封壓力的同時增加接觸面積和蠕動阻力。膠筒的上下兩端安裝在封隔器的上下保護(hù)碗中，從而限制了膠筒在徑向方向的擴(kuò)張。在封隔器的溝槽位置設(shè)計(jì)有倒角，減小溝槽處因?yàn)槟z筒直徑變化引起的應(yīng)力集中，增加膠筒在工作過程中的安全性，并使膠筒的擴(kuò)張段與安裝段之間的直徑變化實(shí)現(xiàn)平滑過渡，避免直徑突變引起應(yīng)力集中，降低封隔器的使用壽命和工作性能。

初步設(shè)計(jì)槽間距為27 mm，寬24 mm，數(shù)量為4，槽深1.5 mm，槽兩側(cè)倒角為45 °。

封隔器在井下的工作環(huán)境十分復(fù)雜，通常在高溫、高壓以及高硫化氫含量的環(huán)境下使用[11～14]，且橡膠材料具有超彈性，在拉伸變形過程中需要經(jīng)歷復(fù)雜的彈性、屈服、強(qiáng)化以及斷裂階段[15]，故選用耐高溫性和耐腐蝕性良好的氫化丁腈橡膠（HNBR）作為封隔器膠筒的基體。

2 封隔器膠筒工作性能模擬與驗(yàn)證

膠筒是封隔器的核心部件，膠筒的密封性能直接決定了封隔器的錨定和密封性能，所以需要對膠筒的密封性能進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.1 膠筒本構(gòu)模型

本文采用超彈性材料模型——Mooney-Rivlin模型計(jì)算[16～17]，兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型的彈性應(yīng)變能為：

W=c10（[I1][-]-3）+c01（[I2][-]-3）+（J-1）2（1）

式中：W為應(yīng)變能;[I1][-]、[I2][-]為變形張量;c10、c01和D1為材料參數(shù);J為彈性體積比，代表材料的體積應(yīng)變。

橡膠材料的彈性模量E0、剪切模量G與模型常數(shù)之間的關(guān)系為：

G=（2）

G=2（c10+c01）（3）

E0=6（c10+c01）（4）

式中：E0為橡膠材料的彈性模量;G為橡膠材料的剪切模量;μ為泊松比。

已知橡膠硬度Hr（IRHD）硬度與彈性模量E0的關(guān)系為：

lgE0=0.0198Hr-0.5432（5）

式中：Hr為橡膠硬度。

使用有限元分析方法對膠筒進(jìn)行建模分析，對不同的參數(shù)影響規(guī)律進(jìn)行分析。通過查閱文獻(xiàn)得到氫化丁腈橡膠的力學(xué)參數(shù)。確定本文所用橡膠材料的彈性模量E=5.82 MPa，泊松比μ=0.49，本構(gòu)模型參數(shù)c10=0.78 MPa，c01=0.19 MPa，D1=2.06×10-8 Pa-1。

2.2 邊界條件

套管和封隔器膠筒都呈圓柱形，在環(huán)向上的受力情況相同，所以在仿真中將三維模型簡化為二維模型，可以在提高計(jì)算效率的同時得到相同的計(jì)算結(jié)果，簡化后的模型如圖2所示。上方矩形為套管，下方為封隔器膠筒。在工作時，套管與地層通過水泥環(huán)相連接，所以在分析中套管外壁對套管施加全約束，對套管的約束施加情況如圖3所示。因?yàn)榉飧羝髂z筒的上下兩端安裝在上下保護(hù)碗中，只有中間的擴(kuò)張段進(jìn)行擴(kuò)張，所以對封隔器膠筒的上下兩端施加全約束，約束施加情況如圖4所示。

當(dāng)封隔器下入套管內(nèi)時，膠筒與套管之間存在間隙，不相互接觸。當(dāng)封隔器坐封時，膠筒擴(kuò)張，與套管之間產(chǎn)生接觸，所以在進(jìn)行仿真時需要在套管和膠筒之間添加接觸。接觸類型有三種：點(diǎn)-點(diǎn)接觸;點(diǎn)-線接觸;面-面接觸。根據(jù)封隔器的工作情況，膠筒與套管之間的接觸選擇面-面接觸，且面-面接觸的接觸區(qū)域的位移、應(yīng)變、應(yīng)力更加平順、準(zhǔn)確。設(shè)置接觸時，通常選擇剛度較大的面作為主邊界，將套管的內(nèi)壁設(shè)置為主邊界，將膠筒擴(kuò)張段設(shè)置為從邊界，根據(jù)工作時的受力狀況，將膠筒擴(kuò)張段與套管之間的接觸設(shè)置為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)為0.2，接觸施加情況如圖5所示。

2.3 有限元網(wǎng)格劃分

將簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于套管不是主要的研究對象，所以套管使用粗網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為3.5 mm，膠筒使用加密網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為1 mm，單元類型選擇Quad4PE（Tri3PE），網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

2.4 不同工作條件下膠筒的密封性能

擴(kuò)張式封隔器實(shí)現(xiàn)對油套環(huán)空的密封作用主要依靠封隔器膠筒膨脹后與套管內(nèi)壁接觸產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，所以接觸應(yīng)力可以作為評價(jià)封隔器膠筒密封性能的一個技術(shù)指標(biāo)。設(shè)置套管的內(nèi)徑為125 mm，膠筒外徑為110 mm，分析3、5、9、12、15 MPa內(nèi)壓下封隔器膠筒的密封性能。不同內(nèi)壓條件下對膠筒接觸應(yīng)力的影響如圖7～12所示。

由圖7～8可以看出，在不同內(nèi)壓下，膠筒的最

大變形整體呈現(xiàn)基本不變的情況，這是因?yàn)槟z筒前期的變形主要是在內(nèi)部壓力的作用下，膠筒從擴(kuò)張段的中部開始膨脹，當(dāng)擴(kuò)張段中部與套管內(nèi)壁接觸之后，變形從擴(kuò)張段中部開始向兩端延申，直至擴(kuò)張段與套管內(nèi)壁完全接觸，此時膠筒的變形主要為橡膠材料的壓縮變形，所以此時膠筒的最大變形量基本保持不變。

由圖9～10中可以看出，隨著坐封壓力的增加，膠筒的Mises應(yīng)力整體呈現(xiàn)上升趨勢。膠筒在肩部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，膠筒表面出現(xiàn)條紋狀應(yīng)力集中的現(xiàn)象。結(jié)合仿真結(jié)果，膠筒在實(shí)際工作中在膠筒的肩部位置最容易破壞，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)。

由圖11～12中可以看出，隨著內(nèi)壓的增大，膠筒與套管之間的最大接觸應(yīng)力整體呈現(xiàn)直線上升的趨勢，且整體變化趨勢較為平穩(wěn)，基本呈正比關(guān)系?？梢钥闯觯?dāng)套管內(nèi)徑一定時，內(nèi)壓越大，膠筒與套管之間的最大接觸應(yīng)力越大，密封性能越好。

3 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為提高封隔器膠筒的工作性能，需要分析膠筒的凹槽深度和凹槽寬度對封隔器膠筒密封性能的影響規(guī)律，為膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選提供依據(jù)。

3.1 凹槽深度影響規(guī)律分析

為了研究不同的凹槽深度對封隔器膠筒密封性能的影響，分析中設(shè)置凹槽寬度為24 mm、凹槽倒角為45 °和工作壓力為15 MPa，以0.2 mm為梯度分別建立了凹槽深度從0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的有限元模型。不同凹槽深度下膠筒的密封性能分析結(jié)果如圖13～14所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，在15 MPa的壓力下，隨著凹槽深度的增加，膠筒的接觸應(yīng)力逐漸增大。在膠筒的變形過程中，當(dāng)內(nèi)部壓力增大到一定程度之后，位于凹槽內(nèi)部的橡膠與套管的接觸面積會增大并分擔(dān)一部分壓力。隨著凹槽深度的增加，凹槽內(nèi)部要與套管內(nèi)壁接觸所需要的壓力也隨之增大并且分擔(dān)的壓力也變小，所以需要膠筒的外壁面分擔(dān)更多的壓力，從而使膠筒的接觸應(yīng)力增大。隨著凹槽深度從0.5 mm增加至2.5 mm，膠筒的最大接觸應(yīng)力從14.013 MPa增加至18.243 MPa，且膠筒的錨定力變化不大，產(chǎn)生的錨定力主要集中在154 kN至155 kN之間，所以凹槽深度對錨定力的大小影響不大。

3.2 凹槽寬度影響規(guī)律分析

為了研究不同的凹槽寬度對封隔器膠筒密封性能的影響，分析中設(shè)置凹槽深度為1.5 mm、凹槽倒角為45 °和工作壓力為15 MPa，以1 mm為梯度分別建立了凹槽寬度從15 mm至30 mm的有限元模型。不同凹槽寬度下膠筒的密封性能分析結(jié)果如圖15～16所示。

由圖15～16可以看出，在15 MPa的坐封壓力下，隨著凹槽寬度的增加，膠筒的接觸應(yīng)力也隨之逐漸增加。在膠筒受力變形過程中，膠筒的外壁面首先與套管內(nèi)壁接觸，且由于凹槽寬度增加，膠筒首先與套管接觸的區(qū)域面積變小，而膠筒內(nèi)壁承受的壓力不變，使得膠筒的接觸應(yīng)力增大。隨著凹槽寬度的增加，膠筒產(chǎn)生的錨定力也增加，隨后其增加趨勢逐漸減緩。

3.3 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)凹槽寬度和凹槽深度對膠筒工作性能的影響程度，對封隔器膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，考慮到膠筒的屈服應(yīng)力為12 MPa，最終確定膠筒的最優(yōu)參數(shù)：凹槽寬度27 mm，凹槽深度1.5 mm。對優(yōu)選后的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示，優(yōu)選后封隔器膠筒的最大接觸應(yīng)力為17.642 MPa，較優(yōu)化前17.203 MPa增大2.5%。

4 封隔器膠筒密封性能測試

根據(jù)擴(kuò)張式封隔器的設(shè)計(jì)方案以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，按照所得尺寸參數(shù)，試制擴(kuò)張式封隔器膠筒實(shí)物，并對膠筒的工作性能進(jìn)行測試。封隔器膠筒工作性能測試裝置如圖17所示，試驗(yàn)時將膠筒裝入封隔器內(nèi)，在封隔器內(nèi)部施加壓力促使膠筒膨脹與套管緊密接觸，完成封隔器的坐封過程，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時撤回液體壓力即可完成封隔器的解封。

試驗(yàn)前，先將封隔器膠筒與封隔器安裝在一起，密封槽處涂抹適量潤滑脂，普通螺紋表面涂抹機(jī)油，在封隔器的下端連接盲堵，以封堵封隔器的下端出口，安裝好的封隔器如圖18所示。將擴(kuò)張式封隔器整體安裝在套管內(nèi)，安裝時不能損壞擴(kuò)張式封隔器膠筒，同時將管線與套管上部相連，連接高壓試壓泵，通過油管管線、套管密封蓋連接油管和套管。之后打開與油管相連的管線上的截止閥，高壓試壓泵通過油管管線加壓至20 MPa，每2 MPa穩(wěn)壓15 min，觀察試壓泵壓力表是否波動，做好試驗(yàn)記錄。最后通過試壓泵加壓推動與封隔器相連接的活塞，當(dāng)膠筒開始移動時，記錄膠筒移動時的泵壓，根據(jù)活塞的面積和泵壓計(jì)算不同坐封壓力下膠筒的錨定力。

依托擴(kuò)張式封隔器試驗(yàn)裝置，開展擴(kuò)張式封隔器工作性能試驗(yàn)測試并進(jìn)行效果評價(jià)，得到擴(kuò)張式封隔器工作性能效果評價(jià)如圖19所示。

由圖19可知，在15 MPa坐封壓力下試驗(yàn)獲得優(yōu)化后擴(kuò)張式封隔器膠筒的錨定力為185.24 kN，仿真計(jì)算獲得膠筒的錨定力為169.74 kN，誤差為8.4%，精度滿足要求。優(yōu)化前擴(kuò)張式封隔器膠筒的錨定力為154.61 kN，性能提升16.5%，工作性能提升明顯，具有較好的密封效果。

5 結(jié)論

本文基于國產(chǎn)工業(yè)仿真平臺Simdroid，研究了某型號擴(kuò)張式封隔器膠筒在不同內(nèi)壓下的密封性能。得到以下結(jié)論：

1） 隨著坐封壓力的增加，擴(kuò)張式封隔器膠筒的密封性能基本呈線性提高。

2） 擴(kuò)張式封隔器膠筒工作性能的仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，誤差在10%以內(nèi)，說明建立的擴(kuò)張式封隔器膠筒的仿真模型具有較好的擬合效果。

3） 當(dāng)膠筒的凹槽寬度保持不變，隨著膠筒的凹槽深度的增加，膠筒的錨定力變化不大;當(dāng)膠筒的凹槽深度保持不變，隨著膠筒的凹槽寬度的增加，膠筒的錨定力呈先增加而后變緩的趨勢。

4） 針對擴(kuò)張式封隔器膠筒，保持凹槽深度為1.5 mm不變，優(yōu)選凹槽寬度為27 mm，可以提高擴(kuò)張式封隔器膠筒的工作性能，以滿足更加復(fù)雜的現(xiàn)場工況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬美琴，陳嵐，柯俊.壓縮式封隔器膠筒的研究進(jìn)展[J].橡膠工業(yè)，2023，70（11）：917-921.

[2] 郭飛，黃毅杰，宋煒，等.基于Ansys的封隔器密封膠筒性能優(yōu)化[J].潤滑與密封，2020，45（8）：12-18.

[3] 王向東，朱駿蒙.擴(kuò)張式封隔器密封性能評價(jià)及影響因素分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2023，49（9）：47-51.

[4] 林付利.基于有限元數(shù)值模擬的封隔器膠筒力學(xué)特征分析[J].石油和化工設(shè)備，2022，25（10）：24-27.

[5] 程心平.擴(kuò)張式封隔器膠筒參數(shù)優(yōu)選[J].石油機(jī)械，2014，

42（7）：64-68.

[6] 戚元秋. 擴(kuò)張式封隔器膠筒工作特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2024.

[7] 王旱祥，張硯雯，車家琪，等.錦綸簾線封隔器膠筒工作性能及其影響因素[J].天然氣工業(yè)，2020，40（1）：97-103.

[8] 程心平.擴(kuò)張式封隔器膠筒力學(xué)性能分析[J].石油機(jī)械，2014，42（6）：72-76.

[9] 彭沖，歐陽傳湘，譚鉦揚(yáng)，等.擴(kuò)張式封隔器接觸力學(xué)行為及坐封效果評價(jià)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，36（3）：90-96.

[10] 徐小晨，張公社.封隔器膠筒肩部的力學(xué)分析[J].能源與環(huán)保，2017，39（9）：150-153.

[11] 孫永濤，魏安超，陳宗琦，等.高溫高壓封隔器膠筒密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].潤滑與密封，2023，48（9）：140-145.

[12] 毛軍.高溫高壓測試封隔器膠筒的研制[J].石油鉆采工藝，2023，45（5）：638-643.

[13] 盧秋羽，李俊亮，許永權(quán)，等.淺談高溫高壓井下封隔器發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國設(shè)備工程，2024（1）：18-20.

[14] 姚輝前，段風(fēng)海，徐善瑞，等.基于Arrhenius方程封隔器膠筒的壽命預(yù)測研究[J].鉆采工藝，2023，46（2）：100-105.

[15] 趙小龍，刁曉勇，姜國良，等.氫化丁腈橡膠本構(gòu)模型參數(shù)確定方法[J].合成橡膠工業(yè)，2019，42（5）：352-356.

[16] 張辛，徐興平，王雷.封隔器膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)勢分析[J].石油礦場機(jī)械，2013，42（1）：62-66.

[17] 趙小龍，刁曉勇，姜國良，等.氫化丁腈橡膠本構(gòu)模型參數(shù)確定方法[J].合成橡膠工業(yè)，2019，42（5）：352-356.

（編輯：韓睿超）