压缩式封隔器胶筒结构改进及密封性能分析

刘松，吴静，董晓明

（1.中国石化胜利油田海洋钻井公司，山东东营 257000；2.胜利勘查设计研究院有限公司，山东东营 257026）①

封隔器的类型颇多，压缩式封隔器在我国是主流产品，其工作性能主要取决于胶筒的密封性能，而胶筒的可靠性受其材质、结构等影响。国内外对胶筒的研究主要集中在结构改进、井下工作性能分析、材料改良、胶筒室内试验研究等方面，取得了一定的成效。但是，由于井下工况的多变性和胶筒力学特性的复杂性，很难得到确切的试验成果。封隔器的胶筒是橡胶材料，属于超弹性材料［1］。本文在前人关于封隔器理论研究的基础上，利用有限元软件ABAQUS来模拟胶筒的变形及接触应力［2］，并对改进型封隔器进行分析，以提高封隔器胶筒的密封性能。

1 常规封隔器的结构和不足

常规封隔器结构如图1所示，一般是由3个相同的胶筒组成。国内已有很多学者对其密封性能进行分析研究。众多研究表明：常规封隔器的3个胶筒受力变形不均，其中上胶筒起着主要密封作用，而中胶筒和下胶筒的效果不明显。封隔器的失效主要是由于上胶筒的表层撕裂造成的，这表明了常规封隔器在结构方面都存在缺陷。

图1 常规封隔器的三胶筒结构

2 影响胶筒密封性能的因素

封隔器胶筒的结构参数如图2，密封性能可由胶筒与套管之间的峰值接触压力值来评价［3］。在胶筒不出现“肩突”失稳的情况下，峰值接触压力越大，胶筒系统所能承受的密封压差越高。

常规封隔器胶筒的有限元模型如图3所示。其中，封隔器的中心管、胶筒、套管以及所受的载荷均为轴对称分布，这里采用轴对称简化模型［4］。

图2 胶筒的结构参数

图3 常规三胶筒有限元模型

2.1 胶筒高度

分析得到不同胶筒高度下的最大接触应力值，如图4。研究表明：胶筒的高度和胶筒与套管壁之间的间隙对胶筒密封性能影响很大［5］，当胶筒的高度过长时容易引起失稳；胶筒高度较小时，其承受的坐封压力很小。由图4可知，在胶筒高度为85mm时取得最大应力值12.83 MPa。

图4 最大接触应力与胶筒高度的关系曲线

2.2 胶筒厚度

2.2.1 胶筒总厚度对接触应力的影响

改变胶筒的外径，以改变胶筒的总厚度，但同时保证其密封间隙不变。计算结果如表1。

表1 胶筒总厚度与接触应力的关系

从表1得知：胶筒的总厚度对最大接触应力影响很大，在许可条件下应尽力增大胶筒的总厚度；另外，随着总厚度的增大其轴向压缩量是递减的，不利于密封，但变化不大，因此，设计总厚度为20.5 mm。

2.2.2 胶筒子厚度与接触应力的关系

确定胶筒的总厚度，改变子厚度，得到图5。从图中看出：随着胶筒子厚度的增加，最大接触应力先缓慢上升而后慢慢减小，变化幅度不大；子厚度在8.5mm 时取得最大接触应力值13.95 MPa。综合以上分析，设计胶筒的子厚度为8.5mm。

图5 子厚度与最大接触应力值的关系曲线

2.3 端面斜角

相关研究表明：裂痕和残余变形主要发生在边缘应力集中区，这是由于端面形状不合理造成的。端面斜角过大时虽容易坐封，但易有应力集中区，造成变形过大，促使密封元件损坏，以致解封困难。当斜角较小时，压力不是很大的情况下胶筒已经发生了肩突，这是不允许的。改变胶筒的端面斜角，分析最大接触应力与斜角的变化关系，结果如表2。

表2 端面斜角与接触应力的关系

从表2中看出：随着角度的增大，上胶筒的接触应力是先增大后减小，在斜角为50°时达到最大值12.1 MPa，其轴向压缩量也是一直增大的。比较分析，设计胶筒的端面斜角为50°。

2.4 胶筒的材料属性

封隔器胶筒一般由1个或多个不同硬度的胶筒组合而成。工作胶筒起着主要的密封作用，要求其弹性好；支撑胶筒主要用于防止工作胶筒松弛，其硬度要稍高些。

在ABAQUS软件中，Mooney－Rivlin模型中的系数C10、C01的值取决于材料的属性。对胶筒的不同材料组合进行分析，下面是2个常见的系数组合：

表3 材料系数与接触应力的关系

胶筒的设计要保证密封效果最好，其要求是上胶筒的接触应力越大越好，中、下胶筒要求密封饱满较好。从表3中得知：上胶筒的材料系数选为①，中、下胶筒材料系数为②时的接触应力值最大；同时轴向压缩量也最大，此时密封充实，有效的接触长度也较大，有利于封隔器的稳定。

3 改进型封隔器的结构及密封性能

3.1 结构

改进型封隔器有上、下2个胶筒，结构如图6所示。在胶筒的外层包络了1层紫铜，如图7。紫铜的塑性变形没有橡胶材料的大，故能承受较大的坐封压力。

图6 改进型封隔器结构

图7 包络紫铜的胶筒

3.2 密封性能分析

取常规等长胶筒封隔器与改进型等长胶筒封隔器2种结构进行密封性能对比分析。其中，胶筒的结构参数是一致的，紫铜的厚度设为2 mm。坐封压力30 MPa，接触应力如图8。

图8 30 MPa坐封压力下的接触应力

从图8中可以看出：常规封隔器在胶筒中部的接触应力要稍大于改进型封隔器的接触应力值；在胶筒的两端是最大接触应力处，改进型封隔器的最大接触应力要明显大于常规封隔器。改进结构是切实可行的。

4 胶筒结构参数的优选

由以上分析可以得知：胶筒的高度和总厚度对密封性能影响较大；根据第2节的分析结果，选择胶筒的高度为85 mm，总厚度20.5 mm，子厚度8.5 mm，端面斜角50°，上胶筒材料系数为组合①，下胶筒系数取组合②。下面将分析选择紫铜的厚度。

由图9看出：随着紫铜厚度的增加，在上胶筒的中部其接触应力是减小的，而在两端与套管的接触应力是增大的，最大接触应力发生在胶筒与套管接触的两端上，故其最大接触应力是随着紫铜的厚度增加而增大的；但铜的厚度若太大，因其塑性较大，与套管接触摩擦会产生粘滞性，影响胶筒的寿命。综合考虑，设计紫铜的厚度为2mm。

图9 不同厚度下的接触应力值曲线

在前人研究经验基础上，提出了不等长胶筒改进结构，即下胶筒高度选取为75 mm。对比分析2种改进型封隔器结构的密封性能，其上胶筒的接触应力基本是一致的，差别主要在于下胶筒接触应力，如图10所示。

图10 改进型下胶筒的接触应力对比

从图10中发现：在下胶筒中部和两端，不等长胶筒结构接触应力大于等长胶筒结构中的接触应力，由于在低压时，下胶筒起着主要密封作用，所以不等长胶筒的改进型封隔器的密封性能最好。

5 结论

1）通过对接触应力值的分析，得到了胶筒结构参数和材料特性对密封性能的影响。

2）提出了一种胶筒包络紫铜的新型封隔器结构，并选择紫铜厚度为2mm。

3）经过对比分析，不等长胶筒的改进型封隔器结构具有较好的密封性能。

4）胶筒结构参数的优化方法及材料选取需进一步研究。

［1］赵腾伦.ABAQUS 6.6在机械工程中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2007：282－283.

［2］吴建，徐兴平，王龙庭，等.常规高压封隔器密封胶筒力学分析［J］.石油矿场机械，2008，37（6）：39－41.

［3］伍开松，朱铁军，侯万勇，等.胶筒系统接触有限元优化设计［J］.西南石油学院学报，2006，28（6）：88－90.

［4］周先军，平利，季公明.封隔器胶筒接触应力分布有限元计算［J］.钻采工艺，2002，25（4）：51－53.

［5］刘永辉，付建红，林元华，等.封隔器胶筒参数优化分析［J］.研究探讨，2007，3（7）：66－67.