封隔器密封胶筒的尺寸优化

方群， 钱月

（1.上海尊优自动化设备股份有限公司，上海 201806；2.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072）

0 引言

完井工程是石油钻采的重要环节，直接关系到油井寿命和产量[1]。完井质量不仅依赖于地质条件，而且和完井工具的性能密切相关。封隔器作为关键完井工具，密封性是其核心性能，主要起到封隔产层，防止层间流体和压力窜动的作用。压缩式封隔器是一种重要的石油完井工具，主要起到分隔不同的产层、压裂、酸化、注水等作用。密封性是封隔器的核心性能，直接关系到完井质量和井下安全[2-3]。

对于封隔器来讲，密封元件胶筒与套管内壁之间接触所产生的应力大小将决定其质量，为了避免因应力集中、残余变形而导致的密封失效或起出困难，应合理地选择胶筒的形状尺寸[4]。杜长桥等[5]通过有限元软件对封隔器进行数值仿真和分析，得出轴向载荷和压差对封隔器密封性的影响，并对胶筒结构进行优化。C.O.Horgan[6]明确了胶筒与套筒内壁间的密封类型，属于接触密封，其接触应力的大小对密封质量的高低有着十分重要的作用。李鹏飞等[7]以三胶筒封隔器胶筒为主要研究对象，探索了橡胶材料的应力和应变之间的关系。研究胶筒与套管之间接触压力的变化规律，对优化封隔器的设计有极其重要的意义。丁亮亮等[8]对深层气井封隔器进行工作行为仿真，通过分析结构和材料参数对封隔器密封性的影响，提出胶筒长度增加、硬度降低及井壁摩擦力减小有利于接触应力的提高。

1 封隔器密封部件建模

压缩式封隔器的结构主要包括密封部件、坐封机构、解封机构和锁紧机构。密封部件主要包括密封胶筒、隔环及滑动座。密封胶筒是主要的密封部件，受到坐封机构作用后胶筒产生径向变形，从而封隔油管和套管的环形空间。

密封部件主要包括密封胶筒、隔环及滑动座。密封胶筒是主要的密封部件，受到坐封机构作用后胶筒产生径向变形，从而封隔油管和套管的环形空间。

封隔器的核心部件为密封胶筒，胶筒尺寸大小与密封效果密切相关。为了设计出合理的封隔器胶筒尺寸，需要对其尺寸进行优化计算。通过评估密封胶筒尺寸对封隔器密封性能的影响，可优化封隔器的密封结构[9-10]。

密封胶筒的主要尺寸是胶筒的端部倒角和长度等，本文讨论的密封胶筒尺寸项如图1所示，几何尺寸主要包括胶筒内径、外径、高度、端部倒角；力学参数包括弹性模量和泊松比。

由于封隔器的密封部分是轴对称结构，取过轴线截面进行仿真计算。采用ANSYS建立封隔器密封结构的几何模型[11-13]，封隔器密封结构尺寸如表1所示，密封部件尺寸按照外径114 mm封隔器尺寸设置。封隔器 密封胶筒的材料常数采用Yeoh模型中拟合得到的结果。模型中，中心管、底座、压块及套管的材质为结构钢，查机械设计手册，取其弹性模量为206 GPa。

图1 密封胶筒尺寸示意图

表1 封隔器密封结构尺寸参数 Pa

网格划分中，密封胶筒是计算分析的主要对象，采用多边形映射网格划分，中心油管、套管、底座等非关键部件采用自由网格划分。在网格大小的控制中，当element size小于1 mm时，计算时间大大增加，而计算结果基本不变，因此，设置胶筒的element size为1 mm，网格节点数为1766，单元数为511，单元质量的均值是0.9424。由于套管外侧有水泥胶结，因此将套管设置为固定，中心油管、压块及底座设置径向位移约束，底座与中心油管绑定。

2 端面倒角对密封性能的影响

对密封胶筒的端面倒角进行优化，在8 MPa的坐封载荷下，对不同角度的端面倒角进行接触应力计算。计算结果如图3所示。

从图3中可以看出，在8 MPa的坐封载荷下，随着密封胶筒倒角的增大，接触应力先增大，后减小。当倒角度数位于40°～50°之间时，接触应力值达到最大。当胶筒的端部倒角度数在20°～45°区间内变化时，接触应力随着倒角度数的增大而增大，当胶筒的端部倒角处于45°～70°时，接触应力随着倒角度数的增大而减少。因此，为了在一定的工作压差下获得较高的接触应力，在倒角的设计中尽量将倒角尺寸设定在40°～50°之间。

在进一步的计算中发现，当坐封载荷进一步增加，倒角度数对封隔器密封性能的影响越来越小。这是因为当坐封载荷增加到一定程度后，胶筒的压缩度非常大，倒角处的角度大小相对于胶筒变形量而言，基本可以忽略。因此，在封隔器完全坐封后，倒角尺寸对密封区域的接触应力产生很微弱的影响。虽然如此，低坐封载荷时，40°～50°区间的倒角仍然有助于提高胶筒与套管内壁的接触应力。

图2 密封结构网格划分图

图3 倒角度数对接触应力的影响

3 胶筒长度对密封性能的影响

为了分析胶筒长度对封隔器密封性的影响，在10 MPa的坐封载荷下，分别对胶筒长度为40、50、60、70、80、90 mm的胶筒进行计算。胶筒与套管内壁接触应力的分布如图4所示。

图4 胶筒长度对封隔器密封性的影响

由图4可知，在相同的10 MPa的坐封载荷下，当胶筒的长度为40 mm时，胶筒与套管的接触应力在20 mm左右达到最大峰值；当胶筒的长度为50 mm时，胶筒与套管的接触应力在25 mm左右达到最大峰值；当胶筒的长度为60 mm时，胶筒与套管的接触应力在32 mm左右达到最大峰值；当胶筒的长度为70 mm时，胶筒与套管的接触应力在38 mm左右达到最大峰值；当胶筒的长度为80 mm时，胶筒与套管的接触应力在45 mm左右达到最大峰值；当胶筒的长度为90 mm时，胶筒与套管的接触应力在50 mm左右达到最大峰值。

在图4中，单看胶筒长度为40 mm，当胶筒长度小于21 mm时，接触应力随接触区域的增加而增大；当胶筒长度处于21～70 mm的接触区域，接触应力逐渐减小并渐趋不变；胶筒长度为50 mm时，其接触应力曲线也是单峰值；但当胶筒长度为60、70、80、90 mm时，接触曲线出现明显的双峰值形式。

从图4中可以看出，随着胶筒长度的增加，密封胶筒峰值区域不断扩大，这是由于胶筒长度增加后，胶筒与套管内壁的有效接触区域增加。但是在胶筒长度增加后，可以明显看出接触应力峰值区域应力值开始下降，其原因是长度增加后，同样的坐封载荷下，胶筒压缩度降低。

在胶筒长度增加后，虽然有效接触区域扩大，但是接触应力值大幅下降，仍然无法保证有效密封。但是，采用增加坐封载荷的方式可以提高密封胶筒与套管内壁的接触应力。图5是在胶筒长度为80 mm时，坐封载荷分别在坐封载荷为12、14、16 MPa条件下的接触应力分布图。从图5中可以看出，接触应力先增加到一个峰值，稍微减小后，又达到另一个峰值，接触应力分布呈现出双峰值形式。

从图5中可以看出坐封载荷增加后，接触应力开始迅速增加。在12 MPa时峰值区域约为1.8 MPa，在14 MPa时峰值区域接触应力约为2.5 MPa，在16 MPa时峰值区域接触应力达到了3.5 MPa左右。图5中可以看出，3条曲线在相同的接触区域点达到接触应力峰值，坐封载荷越大，接触应力峰值越大，密封胶筒的密封性能越好[13-14]。

结合图4和图5的分析得出增加胶筒长度可以扩大胶筒的密封区域，但是会造成接触应力下降，为了弥补接触应力的减小，需要适当增加坐封载荷。

图5 胶筒长度为80 mm时，增加坐封载荷后接触应力的变化

4 结论

通过对压缩式封隔器密封胶筒的有限元力学分析可以发现：1）封隔器胶筒倒角在40°～50°之间时，密封面的接触应力最大；2）增加密封胶筒长度，能够扩大密封区域，但需要相应地提高坐封载荷，以弥补接触应力的减小。

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