封隔器胶筒变形稳定性分析
全氟醚橡胶封隔器胶筒在稠油热采中的应用分析
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图1 全氟醚橡胶化学结构
全氟醚橡胶的氟含量可达到72. 5%[2]，因周边
基团不同，C—F键解离能比C—H键高20%～30%，
并且C—C主链完全被氟原子保护，全氟醚橡胶比
虽 然 全 氟 醚 橡 胶 耐 高 温 水 蒸 气 性 能 优 异，但 是 价 格 昂 贵，每 千 克 将 近 5 万 元，每 个 胶 筒 的 成 本 动 辄 需 要 10 多 万 元，限 制 了 全 氟 醚 橡 胶 胶 筒 的 大
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第5期
发展·述评 橡 胶 科 技
规 模 应 用，并 且 全 氟 醚 橡 胶 配 方 也 要 根 据 具 体 应 用环境进行调整。 5. 2 氟橡胶并用
3 全氟醚橡胶特点 尽管氟橡胶大幅提高了特种橡胶的耐高温上
限，但 是 普 通 氟 橡 胶 中 仍 然 含 有 C—H 键，这 导 致 该类橡胶长期工作温度很难突破260 ℃，因此提高 氟橡胶中的氟含量可更好地保护C—C主链，改善 氟橡胶的耐高温等性能。全氟醚橡胶是四氟乙烯 和全氟烯醚的共聚物，是一种完全不含C—H键的 橡 胶，但 是 四 氟 乙 烯 和 全 氟 烯 醚 共 聚 后 化 学 键 的 饱和度很高，难以通过硫化形成大分子间的交联， 因 此 通 常 引 入 第 三 单 体，即 硫 化 点 单 体 来 实 现 交 联。常用的第三单体通常含有容易自由基活化的 溴 或 碘 原 子，或 者 第 三 单 体 含 有 全 氟 烷 基 腈。 全 氟醚橡胶因为引入了醚键，提高了大分子柔性，改 善 了 氟 橡 胶 主 链 大 分 子 刚 性 过 大、加 工 性 能 不 好 的缺点，在保留氟橡胶优点的同时，还改善了氟橡 胶的低温性能。典型的四氟乙烯和全氟乙烯基醚 共聚物的化学结构如图1所示。
水平井分段压裂封隔器失效原因及解决措施探析
技术应用与研究一、前言水平井分段压裂工艺技术在低渗透、低压、薄储层和边际油气藏的增产中非常常用，能够有效降低固井、射孔等作业造成的风险。
封隔器是实现分段压裂的关键部件，其性能对压裂作业效果，有着非常直接的影响。
然而，由于井壁曲面不规则、井下工作环境相对比较恶劣，很容易导致封隔器失效现象的发生，最终导致封隔段相互串通、压裂段内部压力减少、地面压裂设备无法顺利加压等问题，最终造成压裂裂缝的长度减短，甚至造成压裂油井报废现象的发生。
二、封隔器失效的原因分析工作环境比较恶劣。
封隔器所处的工作环境往往是非常恶劣的，很多水平井的工作环境温度往往在１５０摄氏度之上。
由于很多封隔器上需要使用橡胶材料，其弹性模量较低，在高温高压的环境之中，橡胶分子链上的α氢与氧会发生反应，从而形成不稳定的中间体，会直接让橡胶分子链分解，导致橡胶的扯断强度和撕裂强度大幅度下降。
如果在封隔器入井的过程中，如果涨封的温度高度井筒的耐温，其就会出现局部破损的现象。
此外，封隔器胶筒在酸、盐、油等介质的作用下，也会出现溶胀的现象，对其密封性能造成非常直接的影响。
井筒套变现象的发生。
井筒套在实际应用的过程中，受到围岩、泥岩膨胀蠕变、油层出砂、岩石蠕变等因素的作用。
此外，油气的化学成分相对比较复杂，其中包含较多的硫化物、无机盐，容易对套管造成化学腐蚀的现象。
此外，套管在注水、酸化压裂、射孔、套铣等作业中，也容易受到损害。
井筒套在受到上述的伤害之后，其直径就会变小，导致封隔器和井筒之间的间隙越来越小，对胶筒造成的损伤会进一步加大，对封隔器的密封效果，造成非常严重的影响。
此外，井筒套变之后，井筒的内径也会出现不一致的现象，对胶筒和井筒之间的接触效果，造成非常直接的影响，最终影响到其密封性能。
管柱的蠕动。
在进行压裂作业的过程中，管柱由于受力，其会出现伸长的现象，这就导致管柱蠕动现象的发生。
当前在水平井分段压裂工艺中，经常使用的是压缩式封隔器，利用液压力进行坐封。
注水井不密封原因分析及预防
1注水井不密封原因分析1.1封隔器失效管柱在井下长期工作，在正常注水时，管柱上存在虎克定律效应，压力效应及温度效应，此三种效应的综合作用导致了分层注水管柱的伸长和缩短，造成封隔器在井下移位，使封隔器密封失效，甚至造成封隔器自动解封。
以一级二段分注为例分析：上层注水压力高于下层压力时，环空压力效应的作用力向下，使油管柱伸长，胶筒就向下蠕动。
上层注水压力低于下层注水压力时，在管柱上产生虎克定律效应压缩变形，螺旋弯曲效应和压力效应使管柱缩短变形，胶筒就向上蠕动。
这样反复进行蠕动，封隔器失效导致不密封。
分注管柱中的封隔器胶筒受到外力作用发生变形、破裂。
套管在长期高压作用下，会发生套管变形、破裂的问题，而且欢喜岭采油厂基本上是采用套管保护封隔器，因此在射孔层位发生套管变形、破裂的情况相对较多。
一旦发生套管变形、破裂，处于这个位置的封隔器就会随之发生变形或破裂，直接造成注入液流在层段间窜通，层段验封即出现不密封现象。
胶筒涨开不足，密封不严。
第一是封隔器胶件质量问题，释放时最大膨胀量没有达到套管的内径，不能形成密封。
第二是不按照刮蜡冲砂通井管柱标准施工，会出现下管柱中途遇阻封隔器坐封和封隔器的胶筒与套管壁结合不紧密，没有起到封隔密封作用，属于施工质量问题。
第三是释放时没有达到标准，造成封隔器释放效果不好，没有起到封隔密封作用，属于施工质量问题。
1.2配水器失效经过长期高压注水，高压液流在堵塞器与配水器水眼结合间隙处形成了沟槽，这在正常注水时影响不大，但在验封过程中由于液流从这些沟槽中窜通而造成测试仪器显示出压力和流量变化，分析绘解的依据是在测压压力计和流量计中记录下全过程的压力和流量变化情况，若以此分析封隔器的密封状况，则分析绘解结果必然是不密封。
1.3管柱失效分注管柱失效的问题在欢喜岭采油厂历年来的作业施工也曾经出现过，管柱失效意味着注水井内的井下工具全部或部分失去作用，但管柱失效的情况不同，出现的结果也有所区别。
高温高压气密封测试封隔器研发及现场试验
◄钻井完井►doi:10.11911/syztjs.2023016引用格式：毛军，郭肖，庞伟. 高温高压气密封测试封隔器研发及现场试验[J]. 石油钻探技术，2023, 51（6）：71-76.MAO Jun, GUO Xiao, PANG Wei. Development and application of HTHP gas seal test packer [J]. Petroleum Drilling Techniques ，2023, 51(6)：71-76.高温高压气密封测试封隔器研发及现场试验毛 军， 郭 肖， 庞 伟（中石化石油工程技术研究院有限公司, 北京 102206）摘 要: 国内测试封隔器的机械性能不稳定、作业失败率较高，无法满足超深高温高压油气井的测试工作。
为此，采用水力锚与下卡瓦实现双向锚定，“J ”形槽结构实现机械式可重复座封、可回收等功能，设计旁通孔以便在解封时平衡胶筒上下压差、达到保护胶筒效果，研制了高温高压气密封测试封隔器。
该测试封隔器胶筒设计为三胶筒结构，选用FKM 材料以提高胶筒性能。
采用API 19TT 标准模拟入井、关井、开井、酸压等全过程复杂工序，实现7次压力反转，耐温204 ℃、耐压105 MPa ，试验最大绝对压力140 MPa ，达到V1-TP 气密封等级。
该测试封隔器在1口超深井中进行了现场试验，坐封位置7 300 m ，一次坐封成功率100%。
该封隔器的成功研制，打破了国外地层测试封隔器的技术垄断，有效降低了测试成本，为国内高端工具的研发提供了借鉴。
关键词: 高温高压；测试封隔器；气密试验；双向锚定中图分类号: TE24 文献标志码: A 文章编号: 1001–0890（2023）06–0071–06Development and Application of HTHP Gas Seal Test PackerMAO Jun, GUO Xiao, PANG Wei(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering Co., Ltd, Beijing, 102206, China )Abstract: Test packers in China have unstable mechanical performance and high failure rate during operation,which thus fail to test ultra-deep, high-temperature, and high-pressure (HTHP) oil and gas wells. Therefore, in this paper, a hydraulic anchor and lower slip were adopted to realize bidirectional anchoring, and a J-shaped slot structure was employed to realize the mechanical repeatable setting, recycling, and other functions. The bypass hole was designed to balance the upper and lower pressure difference of the packer element during unsealing, so as to protect the element. As a result, an HTHP gas seal test packer was developed. The packer was designed with three elements, and FKM materials were optimized to improve the performance of the element. In the experiment, the API 19TT standard was adopted to simulate the whole process of complicated processes such as run-in-hole (RIH), shut-in pressure survey,and flowing pressure and acid fracturing measuring during well opening, so as to realize seven pressure reversals, with an experimental temperature of 204 °C and pressure of 105 MPa, as well as maximum absolute pressure of 140 MPa,reaching V1-TP gas seal grade. The packer was tested in one ultra-deep well. The setting position was 7 300 m, and the one-time setting success rate was 100%. The successful development breaks the monopoly of formation test packer technologies in other countries, reduces test costs, and provides a reference for developing high-end tools in China.Key words: HTHP; test packer; gas seal test; bidirectional anchoring国内超深高温高压油气井主要集中在新疆、四川、南海西部等地[1-2]。
封隔器管柱受力分析
P上 P内
封隔器
※管柱自重拉伸：
ΔL1=1.7×10-7L2=1.53 （ m）
P下
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—螺旋弯曲效应
支撑式或卡瓦式封隔器的座封是靠上
部油管的自重载荷来压缩封隔器胶筒而保 持密封的。在封隔器上部的一部分油管在 压缩力作用下呈螺旋弯曲状态，称螺旋弯 曲效应。
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—螺旋弯曲效应
（1）、螺旋弯曲引起的管柱长度的缩距：
L2
或
2 2 r F0 4 1.2746453 10
kqEJ
（1-12a）
L2
64
2 r kqL2 0 1.2258313
EJ
（1-12b）
Байду номын сангаасJ
(D d )
4 4
D r rT 2
3
2
T
2 2 3 d 2 P 1 d T D 10
P内
封隔器
（1-14a）
活塞效应引起的管柱变形量计算（用式1-12a）：
L2
2 2 r F1 1.2746453 104
（1-14b）
下层
kqEJ
P下
空球座
式中：F1—活塞效应产生的轴向载荷，KN；
ΔP3—封隔器下部压力，MPa； ΔP1—封隔器上部环空压力，MPa； dT—套管内径，mm。
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—压力效应
（2）、鼓胀效应与反鼓胀效应引起管柱长度变化：
2 P 2 d P1 D L3 L 2 2 E D d
2 2
扩张式封隔器接触力学行为及坐封效果评价
２０２１年５月第３６卷第３期西安石油大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ′ａｎＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｍａｙ２０２１Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．３收稿日期：２０２０ ０４ １３基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１８０４０４４）第一作者：彭冲（１９９５ ），男，硕士研究生，研究方向：油气田开发。
Ｅ ｍａｉｌ：７５３７１２６２９＠ｑｑ．ｃｏｍ通讯作者：欧阳传湘（１９６４ ），男，教授，研究方向：油气藏开发及相关方向。
Ｅ ｍａｉｌ：１８５８６７６７１＠ｑｑ．ｃｏｍＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３ ０６４Ｘ．２０２１．０３．０１３中图分类号：ＴＥ３７５文章编号：１６７３ ０６４Ｘ（２０２１）０３ ００９０ ０７文献标识码：Ａ扩张式封隔器接触力学行为及坐封效果评价彭冲，欧阳传湘，谭钲扬，陈洲亮（长江大学石油工程学院，湖北武汉４３０１００）摘要：以Ｋ３４４－１１４型扩张式封隔器为研究对象，基于橡胶材料的Ｍｏｏｎｅｙ Ｒｉｖｌｉｎ本构模型，运用有限元分析方法按照封隔器坐封过程和坐封后两种工况，对封隔器的非线性接触力学行为进行了模拟研究，分析了坐封过程中施加载荷与轴向压缩距的关系以及坐封后的强度、接触应力和摩擦力校核。
分析结果表明：在封隔器坐封过程中，中胶筒首先与套管发生接触，当压差达到一定值时胶筒扩张到与套管接触，封隔器完成坐封；坐封后胶筒的应力集中于胶筒的肩部；胶筒与套管之间的摩擦力、接触应力均能满足分层注水工艺设计要求，能够有效封隔１５ＭＰａ的层间压差。
关键词：扩张式封隔器；坐封；胶筒；接触应力；有限元ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｔａｃｔＭｅｃｈａｎｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒａｎｄＳｅｔｔｉｎｇＥｆｆｅｃｔｏｆＥｘｐａｎｄａｂｌｅＰａｃｋｅｒＰＥＮＧＣｈｏｎｇ，ＯＵＹＡＮＧＣｈｕａｎｘｉａｎｇ，ＴＡＮＺｈｅｎｇｙａｎｇ，ＣＨＥＮＺｈｏｕｌｉａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３０１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＭｏｏｎｅｙ Ｒｉｖｌｉｎｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｒｕｂｂｅｒｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔａｃｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＫ３４４ １１４ｅｘ ｐａｎｄａｂｌｅｐａｃｋｅｒｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｌｏａｄａｎｄａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｅｘｐａｎｄａｂｌｅｐａｃｋｅｒｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｅｔｔｉｎｇｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎａｆｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇａｒｅｃｈｅｃｋｅｄ．Ｔｈｅｒｅ ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｉｎｔｈｅｓｅｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐａｃｋｅｒ，ｔｈｅｍｉｄｄｌｅｒｕｂｂｅｒｔｕｂｅｆｉｒｓｔｃｏｎｔａｃｔｓｗｉｔｈｔｈｅｃａｓｉｎｇ，ｗｈｅｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｒｅａ ｃｈｅｓａｃｅｒｔａｉｎｖａｌｕｅ，ｔｈｅｒｕｂｂｅｒｃｙｌｉｎｄｅｒｅｘｐａｎｄｓｔｏｃｏｎｔａｃｔｗｉｔｈｔｈｅｃａｓｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｐａｃｋｅｒｃｏｍｐｌｅｔｅｓｔｈｅｓｅｔｔｉｎｇ；Ａｆｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｒｕｂｂｅｒｃｙｌｉｎｄｅｒｉｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｏｎｔｈｅｓｈｏｕｌｄｅｒｏｆｔｈｅｒｕｂｂｅｒｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅａｎｄｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｕｂ ｂｅｒｃｙｌｉｎｄｅｒａｎｄｔｈｅｃａｓｉｎｇｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌａｙｅｒｉｎｇｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆ１５ＭＰａｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｅａｌｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｐａｎｄａｂｌｅｐａｃｋｅｒ；ｓｅｔｔｉｎｇ；ｒｕｂｂｅｒｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ彭冲，欧阳传湘，谭钲扬，等．扩张式封隔器接触力学行为及坐封效果评价［Ｊ］．西安石油大学学报（自然科学版），２０２１，３６（３）：９０ ９６，１０４．ＰＥＮＧＣｈｏｎｇ，ＯＵＹＡＮＧＣｈｕａｎｘｉａｎｇ，ＴＡＮＺｈｅｎｇｙａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔａｃｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｓｅｔｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｐａｎｄａｂｌｅｐａｃｋｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ＇ａｎＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０２１，３６（３）：９０ ９６，１０４．彭冲等：扩张式封隔器接触力学行为及坐封效果评价引 言封隔器广泛应用于油田现场施工作业，具有操作方便，成本相对低廉，并且能满足多种工艺要求的特点。
基于Workbench分析封隔器胶筒密封性能
基于Workbench分析封隔器胶筒密封性能
周晓君;段志明;王剑;丁维超;顾文君
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2013(026)011
【摘要】介绍了封隔器的作用,以双胶筒压缩式封隔器为研究对象,通过Pro/E三维软件与ANSYS Workbench有限元分析软件联合仿真,建立了双胶筒的有限元分析模型,得到坐封过程中胶筒与套管内壁的接触应力沿胶筒轴向分布情况,并且分析了摩擦因数、胶筒硬度和端面斜角对接触应力的影响.研究得出的结果与实际应用基本符合,具有很强的指导意义.
【总页数】3页(P111-113)
【作者】周晓君;段志明;王剑;丁维超;顾文君
【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072
【正文语种】中文
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1.基于有限元的三胶筒封隔器密封性能分析 [J], 李卫东;邓涛
2.三胶筒封隔器胶筒的密封性能分析 [J], 李鹏飞;刘旭辉;赵珩煜;金高
3.双胶筒封隔器胶筒密封性能分析 [J], 马卫国;张亚昌;张德彪;徐铁钢;黄辉建
4.基于ZSM-5型沸石-水系统的封隔器胶筒材料密封性能研究 [J], 章娅菲;窦益华;
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5.封隔器胶筒密封性能最优化分析 [J], 徐国栋[1];李坤[2]
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油气田井下封隔器胶筒橡胶研究进展
油气田井下封隔器胶筒橡胶研究进展摘要：本文简单对油气田井下封隔器胶筒橡胶进行了探究，探究的内容具有多样性，如该橡胶周围的各种变化、使用过程出现的各种状况，根据橡胶类型的不同、不一样的原理构造提出了对应的解决方案，对橡胶的各种功能在总结之后进行评定和全面分析，以便对未来的胶筒橡胶提出新的研究要求。
关键词：油气田；井下；封隔器；胶筒橡胶对于油田的开采而言，中国的油田所呈现的特色是不匀称、油层不少的特色。
伴随在石油采掘的过程中，石油总量的发现以及进一步落实在面对持续严重的自然环境，怎样科学、行之有效地进行复杂油田的开发，提升总的生产绩效，长期以来受到世界的重点重视。
现阶段，对复合油层进行开发最为一般的策略是采取一管联通、多管齐下的挖掘策略，如果管子的主体穿越了不一样工作环境的石油层时，需要使用的是封隔器来对不同层次的石油进行划分，为了避免划分过程中的互相排斥，所以封隔器的作用是非常明显的，而却对于开采作业而言，其使用的范围也是很广的。
而胶筒橡胶对于封隔器而言，所起到的作用绝非简单，那么，作为主要构成部分，它品质的高低直接影响封隔器在此过程中的作用以及使用时长，而且还能影响到的是挖掘石油过程中的科学性、合理性。
一、胶筒橡胶的使用过程勘探石油过程的条件是非常苛刻的，实际勘探温度和压强都比地面要高，勘探设施所需要承受的条件比一般设施要更具承受力。
试验的过程中，仿照实际环境所监测的监测压差大约是40-70Mpa，实际挖掘温是100-210度。
对于在进行试验的过程里，橡胶需要接受的等压差是9Mpa-34Mpa之间。
于胶筒橡胶而言，其应用于井下的实际环境条件要求种类繁多，其中一项是温度，温度异常会致使橡胶的老化，老化又会导致使用的使用时长会受到限制。
能够适应温度异常的是新型封隔器胶筒橡胶，无论温度产生怎样的改变，其适应性都非常好。
对于地层的有关监测来说，周围温度太高就会产生一定的化学现象，对于含有各种化学物质（比如二氧化碳、二氧化硫）的深井之中，一些空气的产生容易对橡胶产生不利作用致使它的不工作。
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封隔器胶筒变形稳定性分析 张付英;张玉飞;李天天;水浩澈;董城城;杨俊梅 【摘 要】建立封隔器胶筒的有限元分析模型,模拟胶筒的变形过程,对氢化丁腈橡胶(HNBR)胶筒在自由变形与约束变形阶段的稳定性进行分析.分析不同高径比下,HNBR、 丁腈橡胶(NBR)、 氟橡胶(FKM)和聚氨酯橡胶(PU)4种材料在自由变形阶段所需要的使胶筒与套管刚好接触的最小载荷,以及约束变形阶段使胶筒变形从不稳定到稳定所需稳定载荷值.结果表明:高径比与材料的差异会使胶筒在自由与约束变形阶段出现稳定变形与不稳定变形两种分化现象;不同的高径比下,材料差异对自由变形阶段所需的最小载荷及约束变形阶段所需载荷的变化趋势影响不明显,但对载荷值有显著影响;4种材料中,PU材料对自由变形阶段所需要的使胶筒与套管刚好接触的最小载荷,及约束变形阶段使胶筒变形从不稳定到稳定变形所需载荷值最高,然后依次是HNBR、NBR和FKM.HNBR与NBR在高径比小于1.234,FKM与PU在高径比小于1.225时,不会出现胶筒不稳定变形的情况.
【期刊名称】《润滑与密封》 【年(卷),期】2019(044)005 【总页数】6页(P34-39) 【关键词】封隔器;自由变形;约束变形;稳定性 【作 者】张付英;张玉飞;李天天;水浩澈;董城城;杨俊梅 【作者单位】天津科技大学机械工程学院 天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津300222;天津科技大学机械工程学院 天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津300222;天津科技大学机械工程学院 天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津300222;天津科技大学机械工程学院 天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津300222;天津科技大学机械工程学院 天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津300222;天津科技大学机械工程学院 天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津300222
【正文语种】中 文 【中图分类】TB42
封隔器胶筒是井下油气分层钻采工艺的关键密封零部件，通过依靠管柱压重或水力载荷压缩胶筒，从而封隔环形空间实现密封。随着能源供给结构的调整和对油气需求的增加，封隔器胶筒的设计研究也日渐深入。 由于封隔器工况环境恶劣，胶筒在整个密封过程中的状态及变形都可能对材料造成破坏及影响密封性能。因此胶筒的稳定性问题受到极大关注。 提高材料稳定可靠性，降低因不稳定性带来的社会、环境和经济等效益损失，一直是专家学者研究的重点。超弹性材料的稳定性研究，最早是EULER于1774年发表的关于弹性曲线的研究[1]。此后诸多专家学者进行深入研究，如李旭和窦益华[2]分析了胶筒变形阶段其绝对体积变化规律，确定了胶筒最小坐封载荷和约束压力，解释了胶筒坐封时损坏的原因；任九生和程昌钧[3]应用有限变形弹性理论，分析了受内压和拉伸作用的超弹圆筒发生非均匀变形的不稳定问题；郭易和刘博[4]选取不同尺寸圆筒试件，通过试验检测、理论计算和有限元分析，对各理论与试验结果进行了契合比较，试图找出一种能准确推断圆筒结构失稳载荷的理论方法；GELLIN[5]通过建立管道截面的应变-位移关系，对无限长管在弯曲作用下的失稳和极限承载力进行了研究。任九生和程昌钧[6]综述了Rivlin立方块问题、薄壁球壳和圆柱扭转问题、空穴生成问题等超弹性材料中材料不稳定问题的最新进展成果，阐述了各种非线性不稳定问题的特点、求解以及研究方向。郑明军、史守峡等[7-8]应用有限元对橡胶件的变形阶段进行了相关研究。 目前对封隔器胶筒变形过程的稳定性研究主要集中于数值计算，应用有限元模拟胶筒不稳定变形等相关问题的研究还未深入。因此，为了模拟封隔器胶筒在实际工况下的不稳定变形过程，本文作者分析了胶筒在初始状态时，在轴向载荷作用下不同橡胶材料在不同高径比的不稳定变化过程，研究结果对胶筒材料及参数的选择提供了参考。 1 模型建立及变形过程 1.1 胶筒结构的有限元模型 作为封隔器中关键的密封元件，其密封性能直接影响井下工作的安全与开采效率。随着完井钻探技术的提高，相应地对密封材料的性能提出了更高要求，近年来应用较为广泛的胶筒材料有丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、氯丁橡胶(CR)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟橡胶(FKM)和聚氨酯橡胶(PU)等。文中选择NBR、HNBR、FKM和PU 4种材料进行研究，建模过程中胶筒的材料模型采用Mooney-Rivlin模型。各种材料的Mooney-Rivlin系数如表1所示。 中心管、套管、压环等材料均采用40CrMnMo，弹性模量为206 GPa，密度为7.85 g/cm3，泊松比为0.25。由于其变形量较小，因此可近似为刚性，胶筒与中心管、套管等之间的接触视为刚性与柔性的接触。胶筒接触面作为分析的柔性从表面，其网格划分比刚性主表面较为严格质密[9]，因此胶筒网格划分采用四结点双线性轴对称四边形CAX4RH单元，而中心管、套管等以CAX4H为单元划分网格。 表1 材料属性Table 1 Material properties MPa材料C10C01NBR1.870.47HNBR1.925 560.962 8FKM2.20.057PU3.20.055 图1 胶筒结构有限元模型Fig 1 Finite element model of rubber structure 1.2 胶筒变形过程 初始安装的封隔器胶筒在井下处于无压缩状态。在轴向压缩力作用下，胶筒体积的不可压缩性使胶筒在径向发生膨胀变形，胶筒侧面未与套管内壁接触前属于自由稳定变形(如图2所示)，该变形阶段是胶筒由静态平衡向动态平衡转变的开始，同时也是胶筒在无约束变形过程中，最容易发生不稳定变形的阶段(如图3所示)。 图2 自由稳定变形 图3 自由不稳定变形Fig 2 Free and stable Fig 3 Free and unstable deformation deformation 当自由变形到达胶筒侧面与套管和中心管接触时，胶筒因受到套管和中心管的限制而发生约束变形。胶筒首先与套管内壁接触，随着轴向力的增加接触面也随之增大；但在约束变形过程中，如果胶筒的密闭接触面是由中间向上下两边延伸(如图4所示)，则是约束稳定变形；若胶筒接触面之间出现环空的未接触空间(如图5所示)，则是胶筒发生约束不稳定变形，再继续施加适当载荷后，胶筒逐渐形成稳定变形。该阶段的胶筒不仅受到轴向载荷力作用，还受到套管及中心管约束而产生的接触应力和库仑摩擦力作用，由于胶筒材料的特殊性，胶筒变形呈现非线性变化，体应变不为0。 图4 约束稳定变形 图5 约束不稳定变形图Fig 4 Constrained and stable Fig 5 Constrained and unstable deformation deformation 在胶筒约束变形阶段基础上，施加工作载荷，胶筒的变形逐渐过渡到稳定变形阶段。稳定变形阶段的胶筒变形仍是非线性的，其绝对体积也发生了变化。 2 胶筒的变形分析 橡胶与类橡胶材料的力学性能复杂，如天然橡胶、合成橡胶、合成纤维等都具有非线性、高弹性和大变形等显著特点[10]。一定环境和载荷下，弹性体材料都会存在变形、失稳、破坏及使用寿命等问题，胶筒作为关键的密封部件，研究其材料和结构变形的不稳定性对后续材料损伤和疲劳破坏的研究具有重要作用。 2.1 自由变形分析 胶筒自由变形阶段，胶筒端面受到轴向载荷作用而逐渐膨胀变形，向套管内壁靠拢。但在胶筒外侧面未与套管内壁接触前，不同高径比或材料性能的差异使胶筒侧面在自由变形阶段出现分化：如图6所示的情况，胶筒变形是以平稳“抛物线”的形式向稳定变形的方向发展；如图7所示的情况，由于胶筒高径比的增大，使胶筒筒身受力不均而导致其侧面以“马鞍型”不稳定波动变形。两种分化现象属于胶筒同一变形阶段下的两种不同表现形式。 图6 自由稳定变形的位置-位移图(高径比为0.901)Fig 6 Position-displacement diagram under free and stable deformation(height-to-diameter ratio is 0.901) 图7 自由不稳定变形的位置-位移图(高径比为1.622)Fig 7 Position-displacement diagram under free and unstable deformation(height-to-diameter ratio is 1.622) 如图6所示为胶筒高径比取0.901，材料选择HNBR时，在不同载荷下的变形位置与位移关系。随载荷增大，胶筒径向最大变形位移逐渐靠近套管内壁位置，但胶筒始终表现出稳定的形变过程。这是由于高径比在一定范围时，胶筒两端受到一对相反的作用力，胶筒最大变形沿筒高出现在胶筒中部位置，使胶筒发生屈曲变形。 当胶筒高径比高于某一特定值后，由于筒身受力情况的变化，胶筒侧面最大变形位置由原来的中部一个点变为两个点，致使胶筒的自由变形过程出现了“马鞍状”的不稳定形状，如图7所示为HNBR材料的胶筒在高径比为1.622时的变形图。可见， 在该高径比下，不同载荷值都会使胶筒的变形呈现出较明显的不稳定变形现象，变形曲线都有两个峰点和一个谷点，谷点位置位于胶筒的中部，两个峰点以中