基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置及其弹性层应用特性

窦益华 李羿瑭 邢星 章娅菲

1. 西安石油大学机械工程学院；2. 中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院

封隔器是油气勘探开发过程中重要的井下工具，胶筒是封隔器的核心部件［1］。封隔器的密封性能取决于胶筒和套管间的接触应力的峰值及分布情况［2-3］。在轴向载荷作用下，胶筒两端受压后会变形，与套管间产生接触应力，以此封隔油管与套管之间的环形空间，达到隔绝产层、防护套管等目的。在实际生产过程中，胶筒上下端承受的工作压差是一种变化载荷［4］，在工作压差作用下，胶筒将被进一步压缩，胶筒肩部将向承压座和套管之间的环隙流动，使胶筒肩部突出变形加剧，影响封隔器的密封性能［5］。针对这一问题，人们从封隔器胶筒材料入手，结合封隔器胶筒应用环境，提出了以橡胶为基底的不同胶筒材料［2,6-8］。新型胶筒材料的出现很大程度上缓解了封隔器胶筒密封失效问题，然而，即使是采用性能优良的超弹材料，肩部应力集中问题依旧难以解决。早在1985 年，国内就有采用“防突”装置来提高胶筒耐压能力的应用实例［9］。此后，人们就如何改进防突结构、提高其工作性能展开了持续研究［10-11］。所谓“防突”，就是在胶筒端部安放某种阻挡环、支撑件、限制装置和防护件等，用以阻止和限制封隔器坐封时胶筒向油套环形空间 “突出”或“流动”，从而提高和保持接触应力，以获得良好的密封性［12］。目前使用的主要有铜碗固化型和钢网或钢带固化型两种。“防突”对提高封隔器耐压能力有一定成效，且不会妨碍起下作业［13］。但在胶筒压缩时，由于胶筒与铜皮、钢网或钢带在硬度、韧性、变形量等方面差异较大，易造成胶筒与铜皮、钢网或钢带间的分离，加之封隔器蠕动，加剧了防护件与胶筒之间的剥落，甚至损伤胶筒，缩短封隔器使用寿命。

为克服现有技术的不足，有效解决胶筒肩部应力集中现象，减缓胶筒肩部防护件与胶筒间的损伤，笔者将纳米流控能量吸收/转换系统［14-15］与封隔器胶筒“防突”结构相结合，提出了一种新型的胶筒肩部防护装置结构，提出了一种用于该肩部防护装置弹性层的配方，研究了弹性层配方的工作特性。该防护装置除了传统的楔形金属挡环外，还包含一环形弹性层，该弹性层在外界压差及温度变化时，能够均匀分散压力，并实时调节自身形状、体积变化，消除应力集中现象，减小胶筒由肩部应力集中而导致的失效风险，提升其耐温变抗压变性能，提高封隔器胶筒使用寿命。

1 封隔器胶筒肩部防护装置结构设计

封隔器胶筒肩部的智能弹性防护装置结构如图1 所示。该装置包括一个楔形金属环，以及与其相配套的环形弹性层。楔形金属环选用刚性材料，其下方外围设置有一圈下凸的围挡，下凸的围挡中心形成凹槽。凹槽内部镶嵌环形弹性层。

图1 新型封隔器胶筒肩部防护装置结构示意图Fig. 1 Skematic structure of novel shoulder protection device for packer rubber

环形弹性层依靠主体骨架进行支撑分隔，主体骨架之间包覆有纳米多孔介质与功能流体的混合液。如图1 所示，主体骨架结构可以是由空心的立方体、蜂窝体或圆柱体的小分格堆聚而成，小分格之间相互联接而不连通。弹性层骨架采用延展性好、韧性高的橡胶材料制成。骨架之间包覆的纳米多孔介质与功能流体的混合液，具有智能形变及较高的能量吸收率等独特的工作特性。

所提出的封隔器胶筒肩部防护装置与传统胶筒肩部“防突”装置相比，其优势在于本设计中防护装置与胶筒之间为柔性接触。由于环形弹性层的独特形变特性，在受压时其形态会根据外界面约束自适应调节，避免传统技术中因“防突”钢件与胶筒变形不一致而出现相互搓动，且无应力集中现象。另外，该肩部防护装置与胶筒相互分离，便于现有技术的改造完善。

2 封隔器胶筒肩部防护装置工作原理

纳米流控系统由纳米多孔介质及功能流体混合后组成。由于液固两相间表面张力的作用，功能流体在常温常压下不会自发流入纳米孔内。将该混合液封装，并施加一定的压力，当压力大于临界进孔压力时，表面张力被突破，功能流体进入到多孔材料孔道中去，进而充满整个纳米孔。在外载荷的作用下，宏观相液体转化成纳米相液体并伴随着大量的液-固相界面能产生，从而将部分外力功转化为液-固界面能储存在纳米流控能量吸收/转换系统中，以达到能量吸收的目的。如果液固两相间互相不浸润，那么进入孔道的功能流体在外加载荷撤离后，将在表面张力的推动下流出多孔介质孔道，完成能量吸收、转换、释放的过程，这样的系统具有可重复使用性。

图2 所示为一个典型的纳米流控系统在外加载荷作用下的压力-体积变化关系示意图，该系统由疏水性纳米多孔介质和功能流体构成。pin为临界渗透压，当外界压力高于pin时，固液两相间的表面张力被突破，液体开始流入纳米孔道中。随着外载的持续施加，液体源源不断地流入孔道中去，压力-体积变化特性曲线呈现出一个进孔平台。pout为临界出孔压力，由于所采用的多孔材料为疏水性材料，当压力低于临界出孔压力时，功能流体会在相界面力的推动下流出多孔介质孔道，实现所存储界面能的释放。此过程中，压力-体积变化特性曲线上出现另一个平台，称为出孔平台。

图2 封隔器胶筒肩部防护装置弹性层工作原理图Fig. 2 Working principle of the elastic layer of shoulder protection device

借助纳米流控系统独特的体积变化与能量吸收特性，在该肩部防护装置的环形弹性层填充纳米多孔介质与功能流体的混合液，当其受压高于临界进孔压力pin时，功能流体会流入多孔介质孔道中去，借助自身的体积变化平衡外界压力变化，从而使压力稳定在进孔平台期的压力范围内。所设计的多个小体积独立封装的骨架结构保证了该环形弹性层的压力传递性能，使得环形弹性层受压后压力分布相对均匀，消除封隔器胶筒肩部的应力集中。

3 性能评价实验

所述封隔器胶筒肩部防护装置的主要作用材料为蜂窝骨架内包覆的纳米多孔介质与功能流体的弹性层。ZSM-5 具有高硅铝比，其表面电荷密度较小，而甘油是极性较强的分子，所以不易被ZSM-5 所吸附。本文选取ZSM-5 型沸石与甘油的混合液作为工作介质，实验测试并分析了ZSM-5 型沸石-甘油系统的可重复使用性，并获得了不同载荷加载速率下所述配方系统的压力阈值(即渗透压pin)及最大压力下的有效形变量。

3.1 实验准备

图3 为纳米流控系统压力-位移特性测试实验装置。该实验台采用伺服电机带动蜗杆推动不锈钢活塞杆为压力腔体加压或卸压，采用位移、压力及温度传感器对活塞杆位移、腔体内压力和温度实时监测，并用IMP 数据采集板实时采集数据并记录。图3右下为实验压力腔体及填充物示意图。压力腔体采用不锈钢制作，最大承压能力60 MPa。其内填充ZSM-5 型沸石与甘油的混合液，沸石与甘油质量比为1∶10。配置好的混合液放置真空环境进行12 h的脱气处理，处理完成后将混合液填充在压力腔体内，进行连续10 次的加载/卸载循环。

图3 封隔器胶筒弹性层压力-位移特性测试实验台Fig. 3 Pressure-displacement characteristic test bench used for the elastic layer of packer rubber

3.2 实验结果与分析

在0.01～0.1 mm/s 范围的不同加载速率下对ZSM-5 型沸石-甘油系统进行了压力-位移特性测试。为考量系统的可重复使用性，循环加载/卸载次数为10 次。实验结果见图4。

3.2.1 可重复使用性

由图4 可见，各加载速率下，ZSM-5 型沸石与甘油系统基本在3 次加载/卸载循环后即可达到吞吐平衡，说明该系统可重复使用。对于前3 个加载/卸载循环，当压力恢复至0.1 MPa 时，系统的形变量并未回到起始位置，表明系统的有效孔容积在这两次循环中存在不可逆损失。该不可逆损失一部分是由于多孔材料孔道结构在高压下塌陷所引起的，另一部分是由于液体进孔后个别液体分子被困在孔道内无法出流引起的。经历了3 次加载/卸载循环后，系统完全达到吞吐平衡，第4～10 次的加载/卸载压力-体积变化特性曲线完全重合，说明该系统可重复用于能量的吸收与释放。

图5 不同加载速率下ZSM-5 型沸石-甘油系统的相对流出率Fig. 5 Relative outflow rate of ZSM-5 zeolite-glycerine system at different loading rates

3.2.2 加载速率对弹性层压力阈值的影响

对于纳米多孔介质与液体的混合液封装后的系统，当外界压力升高到一定程度后，液体会突破纳米多孔材料孔口的表面张力，进入到孔道当中去，这一压力值称为渗透压，体现在所述封隔器胶筒肩部防护装置的环形弹性层中，则为该弹性层工作的压力阈值。

提取沸石-甘油系统在6 组不同的加载速率下的渗透压，绘制于图6，可以看出，当加载速率在0.01～0.1 mm/s 范围内变化时，沸石-甘油配方弹性层的压力阈值可稳定在17±2 MPa 范围内。随着加载速率的提升，压力阈值总体上呈逐渐升高的趋势。在加载速率小于0.06 mm/s 时，由于系统的加载/卸载过程逐渐接近准静态过程，加载速率对渗透压的提升作用并不是很明显；但当加载速率大于0.06 mm/s时，随着加载速率的进一步增加，渗透压增幅增大。

图6 不同加载速率下弹性层的压力阈值Fig. 6 Pressure threshold of elastic layer at different loading rates

从微观的角度，功能流体在较高速率的动载荷加载过程中，留给孔道入口处附近流体分子的反应时间较短，由于惯性作用，单个流体分子在离开大群体、进入孔道时将遇到更高的能量壁垒，导致较高的渗透压。而低加载速率下，流体分子有足够的反应时间调整好位置，以一种基本上处于热平衡的状态进入孔道，因此越接近准静态过程，渗透压会越低。

3.2.3 加载速率对弹性层最大压力下有效形变量的影响

加载速率的提升给沸石-甘油系统带来的另一个影响是入孔平台的长度变化。入孔平台，反映了当前系统中多孔材料有效孔体积Va的大小，可用于表征弹性层在最大压力下的有效形变量。图7 提取并展示了不同加载速率下10 个加载/卸载循环下沸石-甘油系统的有效孔体积。由于该配方在应用过程中工作在性能稳定的区间，即第4 次循环以后，因此只关注系统在达到吞吐平衡以后有效孔体积随加载速率变化的规律。当加载速率为0.01 mm/s 时，达到吞吐平衡后(即第4 次循环开始)，弹性层最大压力下的有效形变量为58 mm3/g。随着加载速率的增大，其最大压力下的有效形变量逐渐增大，符合弹性层的应用需求。

图7 不同加载速率下弹性层最大压力下的有效形变量Fig. 7 Effective deformation of elastic layer under the maximum pressure at different loading rates

4 结论

(1)提出了一种基于纳米流控系统的超弹封隔器胶筒智能弹性肩部防护装置。该肩部防护装置兼具纳米流控系统独特的压力-体积变化特性及良好的压力传递性能，可借助自身的体积变化来平衡外界压力变化，且受压后压力分布相对均匀，可消除封隔器胶筒肩部应力集中现象。

(2)通过压力-位移特性测试实验，证实了ZSM-5 型沸石-甘油配方在三次加载/卸载循环后即可达到吞吐平衡，具有较好的可重复使用性，可用作所述肩部防护装置弹性层的填充方案。当加载速率在0.01～0.1 mm/s 范围内变化时，压力阈值可稳定在17±2 MPa 范围内，最大压力下的有效形变量均大于58 mm3/g，且随着加载速率的增大逐步提升，符合弹性层的应用需求。

(3)该封隔器胶筒肩部防护装置具有良好的应用前景，通过调整纳米多孔介质与功能流体的配方，环形弹性层的性能在较大范围内可调，适用于多种复杂工况。