压缩式封隔器密封胶筒有限元分析及改进

葛 松

（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070） ①

压缩式封隔器密封胶筒有限元分析及改进

葛 松

（甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070）①

针对常规压缩式封隔器密封胶筒存在的问题，对常规型和改进型封隔器胶筒在不同坐封载荷下的接触应力进行对比分析，以提高封隔器下井安全性、工作稳定性和密封可靠性。结果表明：改进后的新型压缩式封隔器胶筒比常规封隔器胶筒具有更高的承压能力，使管柱的下井安全性能大幅提高，满足了现场操作需求，提高了下井成功率。

压缩式封隔器；密封胶筒；有限元分析；改进

目前，国内各油田常用的封隔器主要有扩张式和压缩式2种类型，且型号很多，结构繁杂。水力压缩式封隔器的工作原理是通过从油管加压实现封隔器坐封，坐封后锁紧，在注水压力波动或注水井停注

1 常规封隔器胶筒结构设计及承压分析

以适用套管内径118～127mm的封隔器为例，对封隔器外径为115mm的常规封隔器承压能力进行计算，并假设封隔器坐封载荷、胶筒材料、胶筒壁厚和高度均一致。常规密封件结构如图1，其承压工作状态如图2。

图1 密封件结构

图2 密封件承压工况

1.1 主要技术参数

胶筒外半径R156.5mm

胶筒内半径R043mm

密封套管内半径R0σ62mm

胶筒高度h 180mm

密封工作压差Δp 30MPa

胶筒弹性模量E 3.8MPa

泊松比μ 0.5

摩擦因数f 0.3

1.2 承压计算

115mm封隔器将密封元件压缩到接触套管所需的压缩力为

115mm封隔器胶筒轴向相对变形量为

115mm封隔器在30MPa压差作用下，为达到密封要求所需的最小压缩力为

但在实际应用过程中，常规胶筒的压缩力无论是否达到或超过41.3kN，封隔器密封压力都达不到30MPa，这是因为常规胶筒没有端部防突装置。

1.3 有限元分析

由于边界条件的复杂性，有限元计算必须将封隔器胶筒、坐封机构、封隔器胶筒内中心管以及与之被分隔的套管作为整体进行分析。封隔器胶筒内中心管以及与之被分隔的套管之间存在挤压作用，因此封隔器胶筒的有限元分析是包含橡胶材料和金属材料的接触问题。因此，本文对封隔器胶筒的有限元分析实际上是对超弹性体进行的非线性接触分析。

1.3.1 假设条件

1） 忽略井底温度变化对密封胶筒密封性的影响。

2） 假设封隔器胶筒、套管、中心管、刚性隔环等没有自重力，而且几何结构是完全轴对称的理想模型。

3） 套管、中心管、刚性隔环材料都是45号钢，由于其弹性模量远大于橡胶材料，假设其为刚性的。

4） 假设橡胶材料各向同性且是均匀连续的。

1.3.2 模型的建立

常规封隔器系统通常是由3单元胶筒系统组成，如图3所示。为了收敛起见，通常采用非线性有限元分析软件Abaqus进行接触条件及大变形分析，利用轴对称条件对模型进行简化。常规封隔器胶筒有2种材料：胶筒为橡胶材料；隔环、中心管、套管为刚性材料。橡胶采用4节点CAX4RH单元划分网格，其余采用CAX4R划分网格，有限元分析网格如图4所示。

图3 常规封隔器胶筒结构

图4 常规封隔器胶筒有限元网格

1.3.3 结果分析

轴向载荷为50～100kN时的胶筒变形及Von－Mises应力云图如图5所示。

图5 胶筒变形及Von Mises应力云图

由图5可以看出：随着轴向载荷的增大，轴向压缩量也增大，开始时压缩量增大较明显，当轴向载荷＞80kN时，压缩量变化较慢，胶筒变形趋于稳定；同时也可以发现，随着坐封的增大，胶筒与套管接触长度逐渐增加，胶筒外表柱面部分径向变形受限制，胶筒内表面变形如外表一样向外鼓，当载荷增加时胶筒被压扁并在最后被压实。另外当轴向载荷＞70 kN时，胶筒出现明显的肩部突出现象。

2 改进型封隔器胶筒有限元分析

改进后的封隔器结构为上、下2个胶筒，上、下2个胶筒又分别由2个胶筒构成，外层包络1层紫铜，中间垫1个紫铜片，紫铜厚1.2mm，如图6所示。改进后的封隔器胶筒由3种材料构成：①胶筒为橡胶材料；②隔环、中心管、套管为刚性材料；③紫铜。橡胶采用4节点CAX4RH单元划分网格，其余采用CAX4R划分网格，有限元分析网格如图7所示。

图6 改进型封隔器胶筒结构

图7 改进型封隔器胶筒有限元网格

常规型与改进型封隔器结构上的区别为：常规胶筒为3胶筒结构，而改进型封隔器胶筒为4个，其中端部2个较小，被包络在1层厚1.2mm的紫铜护罩里面，与中间上、下2个胶筒分别组成1组密封胶筒。根据计算结果，把两者同一坐封载荷下的接触应力进行对比，如图8～13所示。

图8 50kN坐封载荷常规胶筒与改进胶筒接触应力对比

图9 60kN坐封载荷常规胶筒与改进胶筒接触应力对比

图10 70kN坐封载荷常规胶筒与改进胶筒接触应力对比

图11 80kN坐封载荷常规胶筒与改进胶筒接触应力对比

图12 90kN坐封载荷常规胶筒与改进胶筒接触应力对比

图13 100kN坐封载荷常规胶筒与改进胶筒接触应力对比

由图8～13可以看出，改进型封隔器主要密封作用段的接触应力明显大于常规型封隔器的接触应力，即其密封更可靠，故该改进装置切实可行。

3 结语

改进后的新型压缩式封隔器胶筒比常规封隔器胶筒具有更高的承压能力，由15MPa提高到35MPa。封隔器及管柱坐封安全性增强使管柱的下井安全性能得到提高，满足了现场操作需求，提高了下井成功率。

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Using FEA to Improve Compressed Packing Rubber Seal

GE Song
（Lanpec Technologies Limited，Lanzhou730070，China）

Aiming at the failure existing in compressed rubber seal packing，the analysis and comparison have been made at the condition of seat load and contact stress for the conventional and improved packing to increase security，stability and reliability during tripping down.The result showed that the improved packing，with compressed rubber seal packing，could hold higher pressure and the security was greatly increased during tripping down to meet the requirement of onsite operation.

compressed packing；sealed rubber cylinder；FEA；improvement

1001－3482（2011）12－0092－04

TE931.2

A

2011－07－15

葛 松（1970－），男，陕西宝鸡人，高级工程师，主要从事石油钻采设备研发及石化装备生产管理工作，E－mail：ges＠shlanbin.com。时，胶筒始终保持密封状态［1－12］。封隔器中设计有专门的洗井通道，可实现反洗井工艺，耐压能力可达到25MPa。存在的主要问题是：封隔器的洗井通道复杂，洗井机构失效严重，造成封隔器失效；在出砂井上应用时易砂埋，导致管柱分层失效；封隔器胶筒耐压力低，不能满足高压（＞25MPa）注水需要，失效井多。