高温高压封隔器胶筒密封结构设计.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：孙永涛，魏安超，陈宗琦，等高温高压封隔器胶筒密封结构设计润滑与密封，（）：，（）：基金项目：中国海洋石油集团有限公司关键核心技术攻关项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：孙永涛（），男，博士，高级工程师，从事完井工艺技术研究。：。高温高压封隔器胶筒密封结构设计孙永涛 魏安超 陈宗琦 程文佳 蔡应龙（中海油田服务股份有限公司天津分公司 天津；中海石油（中国）有限公司海南分公司工程技术作业中心 海南海口；中国石油化工股份有限公司西北油田分公司新疆乌鲁木齐；西北工业大学民航学院 陕西西安）摘要：随着深井、超深井的开发，封隔器坐封后将长时间承受高温高压、腐蚀等极为复杂的工况。设计一种封隔器胶筒密封结构，该密封结构根据功能特性选取不同的材料，使封隔器能够满足井下高温高压等较为复杂的工况要求。根据实际的井下极端工况条件，对设计的封隔器进行坐封、密封测试，利用商用软件 对胶筒在给定工况下的力学行为进行分析。结果表明：设计的封隔器能够在 坐封力、温度和 密封压力下稳定工作；在给定的 压差下，封隔器胶筒橡胶应力水平未达到材料的屈服点，能够保证封隔器的耐久性和可靠性；橡胶胶筒能够产生大于 压差的接触应力，保证封隔器能承受 压差。关键词：封隔器；高温高压；密封；接触有限元分析；接触压力中图分类号：（，；，；，；，）：，：；封隔器胶筒承载产生径向大变形挤压套管，从而形成接触压力封堵油管与套管之间的环形空间，为油井开采提供保障。许多学者针对封隔器设计进行了相关研究。张德彪等分析了防突结构对封隔器密封性能的影响，发现封隔器的防突装置能够显著提高封隔器的密封效果。陈伟等人利用正交设计法综合分析胶筒的半径、胶筒与套管壁的接触面积、胶筒硬度和胶筒长度对封隔器密封性能的影响。刘春雨对封隔器的密封性能及结构设计进行了评判分析，认为封隔器在封隔状态下，接触压力应大于压差从而保证封隔器能够有效封隔上下部的压差。田宗正等针对大扩张比封隔器现场性能试验问题，对封隔器坐封和密封过程进行了计算分析和试验测试，为结构设计提供了参考。、等设计了一种新型抗突结构封隔器，有效改善了封隔器胶筒的受力状态，提高了现有封隔器的可靠性。随着有限元技术的发展，一些学者利用有限元仿真技术与实验相结合的方法分析了封隔器胶筒的变形协调关系和力学行为。罗伟等人利用有限元手段研究了胶筒长度和环境温度对胶筒与井壁之间接触压力的影响，结果表明接触压力随着胶筒的长度增加而增加。张付英等建立了坐封力和密封压差作用下接触应力的数值计算模型，确定了胶筒密封性能与结构参数和环境因素之间的关系。吕凤霞利用有限元手段系统分析了摩擦因数、工作压力、流体介质温度、胶筒结构等因素对胶筒力学行为的影响。水浩澈等利用 有限元软件研究了温度变化对压裂封隔器胶筒密封性能和疲劳寿命的影响。目前油井向深井、超深井持续开发，高温高压工作井已成为了新的常态。而在高温高压环境下，封隔器密封件坐封和密封过程中容易出现肩突、应力松弛等问题，造成密封性能下降甚至完全失效，进而造成巨大的经济损失。本文作者综合考虑封隔器胶筒的结构运动、密封条件、结构变形和各组件材料应力水平，通过结构优化和有限元分析，对结构进行区域化补强和再设计，使胶筒密封能力和结构强度满足井下极端工况要求（压力坐封和 环境温度下 （）密封压力）。胶筒结构设计方案封隔器在井下坐封力作用下的结构整体变形和局部应力状态，应该满足所选材料的屈服极限，这样诱导和控制封隔器的变形成为设计的主要难点。同时橡胶在高温作用下材料的自身刚度和强度极大地减弱，在轴向坐封力作用下变形量较大，极易发生结构性失稳。各零部件的选材和结构设计不仅需要考虑高温条件下材料自身强度、刚度（特别是撕裂强度）与大变形条件下的边缘硬度，同时需要考虑各个部件诱导胶筒充分变形的能力，从而增大或保持接触压力，保证封隔器在井下环境具有良好的密封性能。封隔器的密封能力主要取决于密封元件与套件接触形成的接触压力，只有当接触压力不小于工作压差时，封隔器才能起到密封作用。然而单一密封件封隔器很难满足高温高压等较为复杂工况下的密封要求，而组合密封可以根据不同密封元件性能优势互补来设计特定的密封元件，使封隔器能够适应复杂工况。通过设计多材料、多串联的结构形式，能提高结构整体应力水平的均匀性，防止应力水平过高而造成胶筒破损，同时也能减弱胶筒长时间在极端工况下老化疲劳带来的性能损失。图 所示为设计的新型封隔器结构示意图。胶筒总成最大外径 ，最小内径 ，试验套管最大内径 。胶筒上端设计一个 刚性压环，用于支撑下端的 金属支撑环和护肩。材质热强性较高，在温度接近 时其热强性仍高，能保证封隔器在井下工作时金属构件具有稳定的性能。在承受轴向坐封载荷和密封压力时，金属护肩护环塑性变形与套管贴合产生较大接触应力，防止胶筒朝油套环形空间滑移，并具有防止胶筒发生肩突的功能；同时金属护肩在承受密封油压时充分变形，与套环接触能够产生较大的接触应力，在长时间 高温载荷工况下，金属塑性变形后与套管接触能够保持较高的接触应力，充当次级密封装置，防止下端 护环和橡胶胶筒产生流动应力状态挤出套筒，造成密封性能的下降。金属护肩下端设计了一个 护环，充当结构的缓冲装置。刚度介于 和 橡胶之间，其能够诱导下部橡胶胶筒变形，防止胶筒在承受极端载荷时出现失稳而发生结构性破坏；同时，护环充分变形能够保护胶筒以避免发生硬性破坏，提高胶筒的使用寿命；此外，具有良好的致密性和稳定性（耐腐蚀耐高温），可以有效预防胶筒在服役过程中发生气透现象。护环与压环中间设计了一个 三角环，其硬度高于 而低于刚性压环，在封隔器工作过程中起填充作用，使结构的间隙能够充分地被填充，防止 护环过度的变形填充间隙而造成损坏，导致胶筒接触应力水平下降，影响胶筒密封能力。护环下端是由一个 边胶筒、中胶桶、边胶筒组合而成的胶筒区域。橡胶具有较强的耐腐蚀耐高温特性，在井下高温环境下能够维持较为稳定的性能。高硬度的边胶筒变形能够使封隔器上下两端的接触压力处于较高水平，中胶筒中部设计了一个 形槽用于诱导中胶筒充分变形从而获得更高的接触应力，提高封隔器的密封能力。年第 期孙永涛等：高温高压封隔器胶筒密封结构设计 图 新型封隔器结构示意（）及封隔器实体（）（）（）试验测试橡胶试样的制作参考 ，试样结构和尺寸如图 所示。首先将试样安装在 恒温箱中，温度的调节参考 。橡胶试样的测试过程参考 ，试验前检查试样是否对中，确认无误后，试验机以 的速率加载，直至试样断裂，并记录数据。测试共进行 组重复性试验，测试结果如图 所示。图 试样结构和尺寸 图 下 拉伸测试结果 封隔器胶筒的测试方法参考 ，首先在常温下对封隔器施加 坐封力，记录胶筒压缩距后将胶筒升温至 并保温 ，然后进行压力加载。压力加载进程为：对胶筒下部施加 环空压力载荷，待压力稳定后保压 ；持续加压至 ，并保持压力稳定 ；继续加压至，并保持压力稳定 ；继续加压至，并保持压力稳定 ；继续加压至 ，并保持压力稳定 ；继续加压至 ，并稳定压力 。分别记录不同压力下稳定后试验数据，上环无空气气泡溢出为合格。接下来泄压并换向，进行上部环空测试，方法与胶筒下部的测试方法一致，如此循环对封隔器的上部和下部各进行 次循环环空压力测试。封隔器试验前后的形貌如图 所示，对比可以观察到封隔器上部和下部金属支撑环、护肩和 护环有较大的塑性变形，金属护肩能够完全包覆 护环，护环能够完全包覆边胶筒。封隔器胶筒向外侧扩张，表面能观察到微小的裂纹和鼓包，测试过程中封隔器胶筒无漏气现象，设计的胶筒能在 温度、环空压力下正常工作。图 封隔器胶筒试验前后形貌 ：（）；（）有限元分析封隔器结构复杂，在实际服役中具有较强的非线性力学行为，利用有限元分析手段，根据真实的承载情况对封隔器的边界条件和接触属性进行设置，能够定性和定量地分析封隔器的承载情况。橡胶筒作为封隔器实现密封性能的主要部件，其力学性能对温度十分敏感，高温条件下橡胶材料在承载时易发生大变形，其在变形过程中体积几乎不变。文中采用 模型描述橡胶材料的力学行为，其应变能函数可以表示为润滑与密封第 卷 （）（）（）式中：、为材料常数，由材料实验所确定。初始的剪切模量 ，对于不可压缩橡胶。文中采用 阶的 模型，可以表示为（）（，）（）其应变能 是由 变形张量 的不变量、的函数，即：（）（）（）（）其中：（）（）式中：、分别表示第一、第二、第三应变张量不变量；、分别表示材料 个主方向的伸长比（，表示第 个主方向的应变）。橡胶材料可以经过大变形而体积保持不变，可以被认为是不可压缩材料，所以在分析过程中 。忽略第二不变量的影响，其应力状态可以表示为 （）在单轴应力状态下，因此 ，同时真实应力与工程应力之间的关系可以表示为，这样可以得到工程应力和伸长率的关系：（）（）以上得到了橡胶材料应力与伸长比之间的关系，通过拉伸比与应变的关系，能够得到橡胶材料在主方向的应力应变关系：（）（）（）（）（）（）（）通过拟合试验数据即可得到待定的、，将其作为输入参数输入到材料属性中即可完成对橡胶本构的设定。文中利用商业软件 针对封隔器在井下工作的承载情况建立接触有限元模型，如图 所示。图 封隔器横截面空间分布 针对封隔器在 轴向力坐封后，密封单元结构在 压力下的工作情况进行数值模拟仿真。整个计算过程分为两步，第一步计算封隔器密封单元在承受 轴向力的承载情况；第二步计算封隔器密封单元在承受 轴向力坐封的基础上施加 的环空液压。各个零部件之间设置了面对面的刚 性 接 触，各 零 部 件 之 间 的 摩 擦 因 数 设 置 为。同时考虑到封隔器胶筒在承载过程中会产生大变形而造成胶筒自身之间相互侵入，在各个胶筒表面设置了自接触。模型使用 网格单元，上部的压环限制、方向的位移以及、方向的转动，下部压环和套筒结构施加固定约束，同时将轴向力载荷施加到压环上。在施加轴向力坐封封隔器之后，在压环和支撑环与液压油接触的区域施加压力载荷，压力载荷分段线性加载。分段线性加载使用 功能反复迭代线性加载的方式施加流体压力载荷，通过继承上一步计算的封隔器的变形状态确定流体压力载荷的施加区域，如图 所示。胶筒承受载荷变形后与金属套管接触从而产生接触应力，胶筒变形能力直接影响封隔器的密封能力。图 展示了胶筒在承受坐封载荷和密封载荷的变形位移云图。从图 （）中可以看出，胶筒在承受坐封力时最大变形量在 左右，胶筒与金属护肩完全贴合在金属套管上，上部护肩支撑环卡死，此时胶筒具有一定的密封能力；但中胶筒中部 形槽未被完全填充，仍有一定间隙，底部金属支撑环变形但未与压环完全贴合。在此基础上施加密封压力后，如图 年第 期孙永涛等：高温高压封隔器胶筒密封结构设计 （）所示，此时胶筒的最大变形量达到 ，中胶筒 形槽上下开口完全贴合在一起，底部金属支撑环进一步变形与压环完全贴合，封隔器各个零部件充分变形完全填充封隔器的内壁和外壁，各零部件之间无明显的间隙，此时胶筒充分变形挤压套管从而提高接触压力。图 加载区域确定及压力载荷约束设置 图 胶筒承受坐封载荷和密封载荷下的变形位移云图（）（）：（）；（）图 展示了胶筒的接触应力分布，可以看出，最大接触应力位于金属支撑环与套管接触区域，幅值为 左右，支撑环下端金属护肩和 护环与套管应力的最大接触应力幅值分别为 和 左右，远大于封隔器工作压差 ，表明封隔器具有较为优良的防突功能，同时金属结构也能够充当次级密封装置。此外，上部边胶筒与套管的接触应力幅值在 左右，大于工作压差 ，能够保证封隔器胶筒稳定工作而不发生泄漏。下部胶筒的接触压力逐渐减小，中胶筒的最大密封压力在 左右，下部边胶筒的峰值接触压力仅为 左右。图 封隔器接触应力分布 橡胶筒在工作时本身的应力状态是评价胶筒是否损坏的重要参考指标。橡胶筒在受压时的应力云图如图 所示，橡胶在与上部 护环接触区域存在局部应力集中，橡胶的最大拉应力不超过 ，最大的压应力在 左右，同时胶筒的剪切应力幅值不超过 。胶筒在充分变形后，中胶筒 形开口槽引导中胶筒充分变形，中胶筒中部开始贴合，上下开口开始相互挤压造成局部应力集中，相互挤压造成过高的应力可能导致橡胶撕裂，从而造成胶筒的密封性能减弱，后期设计将考虑在 形槽外添加 形承流环，防止中胶筒中部过度变形而造成橡胶失效。图 下封隔器密封条件下橡胶筒应力云图 ：（）；（）；（）；（）结合试验发现所设计的封隔器胶筒在密封过程中胶筒变形承受较大的轴向载荷，金属支撑环和护肩能够提供较大的接触应力防止发生肩突现象。上部边胶润滑与密封第 卷筒与护环接触的区域存在局部应力集中，且上部边胶筒承受的接触应力最大，变形量最严重，长期作用于恶劣的井底环境，容易发生疲劳破坏，导致胶筒产生塑性变形无法回弹。中胶筒 形槽区域，在密封压力载荷下上下开槽相互挤压产生应力集中，易造成胶筒撕裂导致气密性下降。结论根据封隔器密封原理设计一款新型封隔器胶筒结构，并结合橡胶的超弹性本构和有限元分析方法，分析了封隔器在 温度、坐封力坐封、密封压力这一较为极端环境下的密封性能。结果表明，设计的封隔器能够满足工作需要，胶筒与套管产生的接触压力大于工作压差，能够保证封隔器稳定工作而不发生泄漏。此外，金属支撑环和护肩塑性变形贴合套管能够产生远大于 的接触应力，表明设计的封隔器具有较强的防突性能和密封性能。参考文献 朱晓荣封隔器设计基础北京：中国石化出版社，张德彪，侯军，马卫国，等防突结构对封隔器密封性能的影响分析石油机械，（）：陈伟，刘吉成，袁帅三胶筒结构密封性能分析计量与测试技术，（）：，（）：刘春雨封隔器的密封性评判及相关结构设计探讨中国设备工程，（）：田宗正，谷磊，尹慧博，等扩张式封隔器性能分析及试验研究机械设计与制造，（）：，（）：，（）：，：，：罗伟，付建红，杨兰田，等遇油膨胀封隔器胶筒密封性能有限元分析石油机械，（）：，（）：张付英，姜向敏，孙宇佳，等悬挂式封隔器密封胶筒的密封性能研究润滑与密封，（）：，（）：吕凤霞封隔器胶筒有限变形力学行为分析大庆：东北石油大学，：，水浩澈，张付英，杨俊梅温度变化对压裂封隔器胶筒密封性能和疲劳寿命的影响研究机械设计，（）：，（）：，：，：，王鹰宇 分析用户手册：材料卷 北京：机械工业出版社，（）：郭飞，黄毅杰，宋炜，等封隔器胶筒力学仿真模型的建立润滑与密封，（）：，（）：年第 期孙永涛等：高温高压封隔器胶筒密封结构设计