压缩型封隔器密封结构失效分析与试验研究.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 ：本文引用格式：刘洋，洪毅，易先中压缩型封隔器密封结构失效分析与试验研究机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）作者简介：刘洋（），男，博士，讲师，主要从事油气钻完井工具设计与数值模拟研究。：。通信作者：洪毅（），男，硕士，工程师，主要从事地热及页岩气井的钻完井工程技术研究工作。：。压缩型封隔器密封结构失效分析与试验研究刘洋，洪毅，易先中（长江大学机械工程学院，湖北荆州；湖北省地质局第七地质大队，湖北宜昌）摘要：为了减少常规压缩型封隔器失效事故，开展封隔器常用橡胶材料的单轴拉伸和压缩实验，基于实验数据和 大变形接触有限元分析，对常规压缩型封隔器力学性能进行分析，并设计一种可扩张式封隔器，研究不同压差、温度和摩擦因数对扩张胶筒密封性能的影响，最后对所设计的扩张式胶筒进行了试验研究。结果表明：常规封隔器的胶筒在完成密封的过程中，上胶筒主要起密封作用，而且受到的应力较大，过大的应力会引起常规胶筒肩部压紧而发生疲劳失效，采用扩张式密封方式能够提高胶筒密封性能和减少胶筒台肩压缩变形失效问题。试验还发现新型密封胶筒在 温度范围内坐封和承压性能稳定。关键词：封隔器；密封性能；失效分析；试验研究中图分类号：，（，；，）：，；：；前言封隔器是用于油气生产作业的关键产品，主要由防撞部分、坐封部分、锁紧部分、密封部分、锚定部分及解封部分组成，其中坐封部分主要由胶筒组成。然而，现有封隔器胶筒经常发生失效事故，严重影响油气开采效率和安全性。为了减少封隔器失效事故，国内外学者对封隔器胶筒材料和结构做了相关研究。王澈针对连续油管压裂工艺需求，设计了复合密封方式的单胶筒，该胶筒承压能力达到 、耐温达到 。张付英、肖国华等分析温度对胶筒接触压力影响，得到温度升高有助于提高封隔器与套管之间接触压力的结论。李斌、徐小晨等研究了压缩式封隔器防凸环结构，有利于增大胶筒和井壁的接触压力，优化了封隔器胶筒密封性能和座封能力。、董杰等人研究发现在低温下 材料应力松弛程度高，会导致密封力降低，从而增加胶筒泄漏风险。吕芳蕾、齐军、王国荣等研制了封隔器高温高压试验装置，解决了封隔器等井下工具高温、高压模拟试验难题。、等发现在高温油井作业过程中，封隔器橡胶腐蚀后拉伸性能和硬度显著降低，进而降低封隔器管柱安全性能。、南荣丽、等针对目前密封胶筒材料选择不合理的问题，选择氢化丁腈橡胶在不同温度下进行应力松弛试验，根据试验数据拟合了橡胶的本构模型，研究了温度和应力松弛对封隔器橡胶密封系统的影响。基于文献分析发现，目前针对压缩式封隔器的密封性能研究和结构优化，取得了一定的效果，但常规压缩式封隔器在使用过程中仍然存在失效事故。借鉴上述学者和专家的研究成果，本文作者分析了常规封隔器失效原因，为了克服现有封隔器存在的缺陷，设计了一种可扩张式封隔器结构，并对密封胶筒进行了结构优化研究和试验研究，研究结果为封隔器的设计和安全使用提供了数据支撑。常规封隔器结构及工作原理常规压缩式封隔器在工作过程中，首先锚定机构下行，推动调整环下行，使得密封机构的胶筒发生挤压变形，挤压后的胶筒轴向压缩和径向膨胀，膨胀胶筒将与井壁或套管间发生接触，且与井壁或套管间形成密封。图 为常规压缩式封隔器的结构示意。由图 可知，当密封机构的调整环与胶筒接触时，如果下行速度过大或上部管柱载荷过大，会增大胶筒的应力。由于胶筒在井底工作时间较长，长时间过大的应力作用将造成胶筒丧失弹性形变的功能，而且调整环与胶筒接触时，调整环的倒角位置会使胶筒发生突出变形，使得胶筒上部容易产生失效。图 为现场胶筒受力过大而发生的脱落和挤压失效事故。图 常规封隔器结构示意 图 封隔器胶筒失效案例 密封结构设计及有限元计算为了找到常规压缩式封隔器胶筒失效原因，需要对其进行理论计算和试验研究，验证胶筒密封部位的座封性能以及承压能力。首先确定常用压缩式封隔器胶筒材料常数及其本构关系，进而为封隔器胶筒有限元模拟提供理论和试验数据。图 为拉伸和压缩试验过程照片。图 型橡胶材料试验 ：（）；（）文中所研究的胶筒材料为某研究院提供的氢化丁腈橡胶，下文将该氢化丁腈橡胶简称为 型材料。氢化丁腈橡胶材料应力应变关系试验研究封隔器胶筒主要为超弹性结构，结合图 所给出的 型橡胶材料应力应变曲线，通过非线性数值仿真软件拟合得到相应本构模型的拟合曲线和本构参数，然后对比不同类型的模型曲线与试验曲线的拟合程度，优选出拟合度最高的橡胶本构模型。由图 可知：完全多项式模型中，典型 模型仍然表现出线性增长的趋势，模型在应变 范围内相对 模型的拟合精度较高；等减缩多项式模型应变在 范围内的拟合精度较高，但应变在 以后出现较大的偏差；等减缩多项式各阶模型的偏差随着应变的增加，拟合模型不能真实反映橡胶材料的力学性能特性；随着应变的增加，模型和 模型拟合曲线与试验曲线间的偏差变大，这样的热力学模型无法正确反映橡胶材料力学性能特性。将拟合精度较高的本构模型再次进行对比分析，得到相应模型下的参数，如表 所示。可知：完全多项式 拟合精度最高，因此在仿真计算过程中，型材料采用此模型机床与液压第 卷进行模拟计算。图 型橡胶材料试验和本构拟合曲线 ：（）；（）；（）；（）表 型橡胶材料高拟合度模型参数 超弹性模型本构参数完全多项式，封隔器主要结构参数：胶筒内径为 、外径为 ，单个胶筒长度为 ，上下调整环外径为 、内径 ，坐封压力为，胶筒中心管内径为 ，见图 （）。将调整环和隔环设置为刚体，根据胶筒装配状态下的结构和尺寸，建立胶筒与各金属件间的接触对，将下部调整环固定，上部调整环建立参考点进行加载，两种尺寸胶筒的加载模型及有限元模型分别见图 （）、（）。图 胶筒尺寸及有限元模型 ：（）；（）；（）有限元结果分析假设 井下温度为 ，当胶筒摩擦因数为 、加载位移为 时对应的 应力见图。可知：第一个胶筒最先发生挤压变形，并与套管内壁接触；当 时，中胶筒和下胶筒才开始与套管接触，个胶筒的最大应力发生在调整环与胶筒挤压的位置，此处比较容易发生失效；时，最大应力为 ，第一个胶筒受到的应力最大，变形也最严重，与图 中胶筒失效位置一致，如图（）所示。图 不同时刻胶筒坐封整体应力变化云图（单位：）（：）：（）；（）；（）；（）图 为不同加载位移和不同摩擦因数下的接触压力变化趋势，从图 （）可以看出，当加载位移为 时，上胶筒密封区域的接触压力为 ，中胶筒密封区域的接触压力为 ，而下胶筒第 期刘洋 等：压缩型封隔器密封结构失效分析与试验研究 密封区域的压力为 ，上胶筒的接触压力大于中胶筒的接触压力，中胶筒的接触压力大于下胶筒的接触压力。个胶筒间的接触压力随着加载位移的增加而增加，当加载位移较小时，个胶筒密封区域的接触压力变化不大，三者的接触压力均在 间变化。由图 （）可以看出：摩擦因数越大，胶筒的最大接触压力越大，上胶筒、中胶筒以及下胶筒的接触压力随着摩擦因数的增大而增大，其中上胶筒的接触压力增幅最大，中胶筒和下胶筒接触压力随摩擦因数的增幅不大。图 不同条件下接触压力趋势 ：（）；（）通过上述分析发现 个胶筒中主要起密封作用的为上胶筒，其他两个胶筒接触压力较小，不能满足井下密封功能。同时上胶筒受到的应力最大，变形也最严重，胶筒容易失去弹性，无法回弹，会导致封隔器提升困难。密封件结构优化研究 扩张式胶筒结构设计为了克服常规胶筒存在的缺陷，开发一种变形小、回弹时间较快的扩张式胶筒结构。该扩张式胶筒工作时，外界流体从压力阀门进入，然后经过压力孔，使得上下胶筒受压扩张膨胀，对套管或井壁实现封隔。图 为优化设计的扩张式封隔器，该结构主要由上、下封隔结构和压力阀门等零部件组成，胶筒材料为 型氢化丁腈橡胶。图 为扩张式胶筒密封过程的有限元模型。图 扩张封隔器结构图及实物 图 有限元模型及边界条件 扩张胶筒有限元分析经过分析发现：当长胶筒与套管之间半径间隙为 时，胶筒受到内压 ，筒受到外压，形成 压差，比较不同压差、温度及摩擦因数下胶筒的密封性能。图 为不同半径间隙和不同套管壁厚，胶筒上、下压差为 时的应力、接触压力及位移云图。图 中胶筒最大应力为 ，最大位移为 ，最大接触压力为 。从图 所示的接触压力曲线发现：在不同压差作用下，胶筒的平均接触压力也高于给定的压差值，因此在该壁厚和半径间隙条件下，胶筒处在安全工作状态，接触密封宽度接近于胶筒接触长度，保证了良好的密封性能，而且胶筒整体变形较小。从图 发现：在 压差下，胶筒平均接触压力在 之间变化；不同温度作用下，胶筒平均接触压力值也高于给定的压差值。从图 发现：在 压差作用下，平均接触压力在 之间变化。因此在该温度和摩擦因数范围内，施加极限压力载荷压差作用下，胶筒密封宽度接近于胶筒接触长度，保证了良好的密封性能。图 胶筒的有限元分析结果 机床与液压第 卷图 不同压差作用下的接触压力曲线 图 不同温度下的接触压力曲线 图 不同摩擦因数下的接触应力曲线 封隔器整体性能试验过程将可取式封隔器和试压工装组装后放入套管，打入 压力可剪断销钉，开始启动座封，然后经过 次试压；分别打压至 ，温度分别在 和 之间变化，稳压一定时间，逐级打压，观察 次试验的温度、坐封压力、承压压力变化规律，判断坐封压力和承压压力在该温度范围内密封性能是否稳定。图 为组装设备和压力表实物。图 试压试验（）及压力表（）（）（）第一次温度变化与坐封压力、承压压力试验曲线见图，不同时刻承压压力大于坐封压力，各阶段都存在压力稳定阶段，温度维持约 不变，在该温度下，最大坐封压力可稳定在约 ，最大承压压力可稳定在约 ，坐封和承压时间可稳定，说明在该温度范围内密封性能稳定。第二次温度变化与坐封压力、承压压力试验曲线见图，不同时刻承压压力大于坐封压力，在温度为 时，承压压力在 之间变化，坐封压力可稳定在约 ，坐封时间约 ，说明在该温度范围内密封性能稳定，承压压力可达到 。图 第一次试验中温度与压力曲线 第三次温度变化与坐封压力、承压压力试验曲线见图，坐封压力低于承压压力，在温度为 时承压压力可达到约，坐封压力稳定在约 ，坐封稳定，坐封和承压时间为 ，温度在 之间变化，说明在该温度范围内密封性能稳定。图 第二次试验中温度与压力曲线 图 第三次试验中温度与压力曲线 结论为了研究常规压缩式封隔器失效事故，开展了封第 期刘洋 等：压缩型封隔器密封结构失效分析与试验研究 隔器常用橡胶材料的单轴拉伸、单轴压缩实验，基于 的大变形接触有限元分析方法，对常规压缩式和扩张式封隔器的密封性能和承压能力进行了仿真计算研究，并对结果进行了分析。得到如下结论：（）通过非线性数值仿真软件拟合得到相应本构模型的拟合曲线，对比不同模型曲线与实验曲线的拟合程度，优选出拟合度最高的 模型。（）常规压缩式封隔器 个胶筒中起主要密封作用的为上胶筒，其他两个胶筒接触压力较小，不能满足井下密封功能。同时上胶筒受到的应力最大，变形也最严重，胶筒容易失去弹性变形，无法回弹，分析结果与现场胶筒失效情况一致。（）对于扩张式封隔器，在给定不同温度下和不同摩擦因数范围内，施加极限压差作用，胶筒处在安全工作状态，且密封宽度接近于胶筒接触长度，保证其良好的密封性能。（）通过密封性能分析得到胶筒密封稳定，胶筒回弹性好，表明新设计的胶筒能满足 、条件下的密封承压。（）经过 次试验发现：承压压力可达到，坐封压力稳定在约 ，坐封和承压时间可达到 ，坐封压力和承压压力在 温度范围内密封性能稳定。参考文献：，（）：王澈连续油管体积压裂的关键工具研制及应用大庆：东北石油大学，：，张付英，水浩澈，张玉飞，等温度变化对压裂用封隔器胶筒密封性能的影响润滑与密封，（）：，（）：肖国华，马宝忠，王金忠，等 可取式卡瓦封隔器的研制与应用石油机械，（）：，（）：李斌，朱兆亮，刘佳良水平井压缩式封隔器密封结构优化研究润滑与密封，（）：，（）：徐小晨，张公社封隔器胶筒肩部的力学分析能源与环保，（）：，（）：，：董杰，韩进，吴信荣，等耐高温高压封隔器胶筒的研制特种橡胶制品，（）：，（）：吕芳蕾，伊伟锴，衣晓光，等高温高压封隔器性能试验装置研制与应用石油矿场机械，（）：，（）：齐军，刘丰，傅捷高温高压可扩展封隔器试验装置的设计机械设计，（）：，（）：王国荣，伍伟，李明，等新型防突装置对封隔器胶筒力学性能影响研究中国安全生产科学技术，（）：，（）：，：，：，：，：南荣丽，马力，窦益华，等组合式密封封隔器密封性能对比分析机械设计与制造工程，（）：，（）：，：机床与液压第 卷