锁环回退距对封隔器胶筒密封性能影响研究

2020-12-02杜福云徐凤祥程文佳李良庆

石油矿场机械 2020年6期

杜福云，徐凤祥，周欢，程文佳，李良庆，李越，李强

(中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

封隔器胶筒作为封隔器的核心部件，其密封性能直接影响封隔器在井下工作的可靠度。目前，针对封隔器胶筒密封性能研究有很多，大多是集中在通过室内密封试验测试胶筒的密封性能[1]，锁环牙型优化[2]，胶筒材质试验[3]，有限元分析[4-10]或对胶筒结构进行优化[11-17]等。在现场使用及室内试验中发现，当坐封压力达到设定值后，其压力无法一直维持，卸掉坐封载荷后，封隔器的锁紧机构会出现一定程度的回退量，因而导致胶筒坐封不实。该回退距是否对封隔器密封性能造成一定影响，值得进行探讨和研究。本文以177.8 mm(7英寸)隔离封隔器胶筒为研究对象，首次设计微位移测量系统，监测坐封过程中及卸载后胶筒压缩距变化，并基于试验数据和ANSYS有限元方法，研究了锁环回退距与接触压力之间的关系。

1 锁紧机构机理研究

当中心管加压时，推动活塞往前移动，剪断销钉，实现完全坐封，此时依靠锁紧机构实现自锁。当中心管卸掉压力，锁环会出现一定量的回退。本文研究的封隔器采用常规C型锁环锁紧机构，如图1所示。通过对该结构机理的分析，认为影响锁环回退主要由锁环跳齿和锁环坡度引起的回退距2个因素。

图1 隔离封隔器

1.1 锁环跳齿对回退距的影响分析

在封隔器坐封过程中，锁环会出现3个过程：锁环前行、锁环膨胀、锁环收紧，如图2所示。完成坐封后，撤销坐封载荷，密封胶筒组有恢复原来形状的趋势，这种恢复力作用在锁环上，使得锁环与芯轴锁紧前有一个瞬时的回退。针对锁环跳齿而言，这个回退距离即锁环跳齿回退距，由图2可知，锁环相对芯轴的回退距离不会超过芯轴上螺纹的螺距P，即锁环相对芯轴的回退距离Lb为0≤Lb≤P。

图2 锁环跳齿过程示意

1.2 锁环坡度对回退距的影响分析

封隔器在完成坐封后，在坐封压力不卸载的情况下，锁环无回退距；当压力卸载，此时除了因锁环跳齿引起的回退距以外，还需考虑斜坡对回退距的影响。因密封胶筒组有恢复原来形状的趋势，这种恢复力作用在锁环上使得锁环与芯轴锁紧前有一个瞬时的回退，直到锁环套锥面和锁环锥面相接处，如图3所示。

锁环螺纹回退距离L为：

L=b·cotα(b≥h1)

(1)

式中：L为锁环螺纹回退距离；b为锁环装配后与锁环套的径向间隙；α为斜面锥角。

图3 C型锁紧机构示意

锁紧机构的回退距离LX等于锁环跳齿回退距离Lb与锁环螺纹坡度回退距离L之和，即：

LX=Lb+L=b·cotα+Lb
(b≥h1，0≤Lb≤P)

(2)

2 锁环回退距对密封性能影响研究

2.1 锁环回退距试验分析

为了在线监测胶筒在坐封过程中，胶筒压缩距随坐封载荷变化情况，以及胶筒卸载压力后封隔器锁环锁紧状态，设计了微位移测量系统。该系统由位移传感器及数据采集系统组成，测量精度0.01 mm，如图4所示。

图4 微位移测量系统

为了保证试验数据的有效性，进行4组试验，分别施加30、60、90、120、150 kN的坐封力，得到坐封力与坐封距的关系曲线，如表1、图5所示。

表1 胶筒组坐封试验数据与理论计算值对比

图5 试验压缩距与坐封力关系曲线

当卸掉坐封压力时，平均坐封距基本上由原来的37 mm降至32 mm；锁环回退距5 mm左右，与理论计算值相当。此时相当于坐封力90 kN时的坐封距。回退距存在一定差异，根据式(2)可知，锁环螺纹坡度回弹距离一定，归其原因在于当芯轴牙尖位于锁环牙尖60°倾斜面上的位置无法确定，导致回退距存在一定差异。

2.2 胶筒组仿真分析

根据第2.1节可知，当压力卸载后，坐封力相当于由150 kN降至90 kN，必须考虑此回退距的影响。采用常规试验方法，精确验证坐封力对密封性能影响较困难，故借助仿真软件进行。本文胶筒材料是氢丁腈橡胶，两边胶筒的硬度为邵氏硬度80度，中间胶筒的硬度为邵氏硬度70度。本构模型采用两参数Mooney-Rivlin模型[11-12]，如表2。

表2 胶筒材料的Mooney-Rivlin模型常数

胶筒变形如图6所示，分4个坐封台阶逐步施加载荷至150 kN，得到不同坐封力下对应胶筒压缩距分别为21.1、28.4、32.4、33.2 mm，与试验数据相符。坐封力与接触压力的关系曲线如图7所示，随着坐封力的增加，胶筒压缩距可压缩量越来越小，而接触压力增幅加大，呈现二次抛物曲线关系；当坐封压力由150 kN降至90 kN时，接触压力由10.92 MPa降至6.24 MPa，降幅到达42 %，从而可得坐封距对胶筒与套管间的接触压力有着直接影响。