K344波纹状钢骨架封隔器结构优化

王瑞， 孙浩， 余 波， 赵春立， 潘 一

K344波纹状钢骨架封隔器结构优化

王瑞1， 孙浩1， 余 波2， 赵春立1， 潘 一1

（1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2.中国石油新疆油田分公司 百口泉采油厂，新疆 克拉玛依 834000）

在条件复杂的深油气井井下作业时，封隔器需要具备良好的耐高温、耐高压和密封性能，以此来提高封隔器的使用寿命。相较于传统的K344叠层钢带封隔器，K344波纹状钢骨架封隔器可以有效地减少内外胶筒中部应力，使中部受力更均匀，并可同时降低肩部受力。利用ABAQUS软件，对K344波纹状钢骨架封隔器的坐封过程进行有限元仿真分析，从结构和材料两方面对钢带的受力情况进行研究，并通过仿真分析优选出钢带的最优厚度以及钢带的最优材料。优化后的封隔器能够更好地适应深油气井的作业要求，提供了一种新的扩张式封隔器设计思路。

K344封隔器； 波纹式构造； 仿真分析； 钢带厚度； 结构优化

随着高温、高压、高含硫储层开发的不断深入，在高压、高温、复杂的深部地层中，钻采工艺不断发展，对封隔器作为井下工具的性能提出了更高的要求[1]。封隔器可以实现压裂过程，提高油气层的渗透率，达到增产的目的，亦可起到封隔SO2气体防止逸出、提高生产安全性的作用。钢骨架是压裂封隔器的关键部件，一般选用不锈钢材料，具有耐温等级高、承压大、强度高的特性。在内胶筒径向膨胀时，钢骨架及外胶筒受压力膨胀与管壁紧密接触起到密封作用，而其密封性能和可靠性直接影响油气井井下工艺措施的成功率和开发成本。钢骨架的密封性能和疲劳寿命受骨架结构、材料性能、油气井开采条件等诸多因素的影响。因此，改进并选取适合不同地质环境压力和工作条件的钢骨架结构和钢带材料，进而提高井下套管在高温高压高含硫油藏开发过程中的安全系数和作业时间，减少故障的发生，具有重要的意义。

我国深层油气藏开采发展迅速，厚油层挖潜势在必行，同时也对井下封隔器提出了更高的要求。以往采用的K344叠层钢带封隔器（见图1）存在一些不足之处：（1）叠层钢带膨胀后不易收缩，难以恢复原状，无法重复使用，成本高；（2）膨胀时叠层钢带之间有台阶，密封性差，可能导致外胶筒局部受力过大断裂失效；（3）叠层钢带不易安装，制作工艺复杂，成本高。

图1　K344叠层钢带封隔器实物图

随着材料科学及设计制造方法的不断创新，新型扩张式封隔器的密封性能和抗压能力得到了极大的提高[2]，而且可以通过软件对封隔器胶筒和外层套管内壁之间的接触情况进行分析[3-9]，因此有助于进一步提高封隔器的密封效果和使用寿命[10-11]。

针对K344叠层钢带封隔器存在的问题，本文提出了一种新型波纹状钢骨架封隔器，理论上能够解决油藏开采中出现的一些问题，如减少高含硫气体的泄漏、承受双向高压以及避免中途坐封等[12-13]。同时，通过ABAQUS软件，对波纹状钢骨架K344封隔器进行仿真[14-15]，并对钢带的厚度和钢带材料的选择进行优化设计，以期提高封隔器使用寿命。

1 密封结构及原理

本文设计的K344波纹状钢骨架封隔器结构如图2所示，其主要由压帽、护箍、外胶筒、内胶筒、中心管和波纹状钢骨架组成。

图2　K344波纹状钢骨架封隔器结构

该封隔器通过从中心管中注液，液体从中心管下端进入环形中空管中，外胶筒和波纹状钢骨架受到压力扩张膨胀起到坐封的效果。解封时，通过减少液体压力，内外胶筒会恢复原状，具有良好弹性的钢骨架收缩，完成解封。该封隔器采用曲面设计，贴合性好，扩张膨胀后能与胶筒紧密贴合，使安全性大大提高。

2 有限元模型的建立及分析

2.1 模型建立与网格划分

结合K344钢带式封隔器的结构及工作原理，以实际结构及尺寸为依据，通过ABAQUS软件建立有限元模型。对K344波纹状钢骨架封隔器有限元模型进行分析，内胶筒与钢带、钢带与外胶筒、外胶筒与套管接触采用面-面接触单元。对模型进行网格划分（见图3），所有模型均采用C3D8R单元划分，便于加快计算速度。其中，套管网格数为30 240，护箍网格数为4 488，内胶筒网格数为21 600，外胶筒网格数为28 248，钢带总网格数为20 190。

图3　封隔器坐封前模型及网格划分

波纹状钢骨架采用波纹式柔和曲面，其曲面弯曲形状为1.5倍正弦曲线，用函数表示为=1.5sin，、分别为函数曲线的横、纵坐标，如图4所示。

图4　波纹曲面弯曲形状曲线

2.2 胶筒力学特征分析

为分析封隔器各部件之间接触应力的关系，将所建立的有限元模型中各部件的性能参数与几何尺寸列于表1中。

表1　封隔器各部件性能参数及几何尺寸

封隔器密封胶筒中广泛使用的材料如丁腈橡胶（NBR）和氢化丁腈橡胶（HNBR）是超弹性材料。描述超弹性材料的本构模型有Neo-Hookan、Mooney-Rivlin、Yeoh、Blatt-Ko、Ogden、Varga和Gent等。

实际应用中封隔器橡胶的极限压缩应变不超过30%，属于较高应变量（Yeoh模型、Ogden模型、Gent模型不适用），可以等效于非线性单轴压缩行为，并在压缩过程中产生法向和切向应力（Neo-Hookan模型不适用）。本文使用的橡胶材料为不可压缩聚氨酯泡沫型橡胶材料（Blatt-Ko不适用），橡胶为矩形模型（Varga模型不适用），因此材料描述选用Mooney-Rivlin模型，通常采用双参数公式来描述模型的应变能函数：

式中，为橡胶的应变能；1和2均为橡胶变形张量的不变量；10和01均为橡胶Mooney-Rivlin模型的材料正定常数。由材料力学相关知识可知，弹性模量、剪切模量与泊松比的关系可由式（2）表示。

=/[2（l+）] （2）

根据材料手册能够得到橡胶的泊松比，其值约为0.5，故式（2）可改写为=3。橡胶的剪切模量与Mooney-Rivlin模型的材料正定常数的关系为：

=2 (10+01) （3）

因此，存在=6(10+01)。对于胶筒，10/01≈2，最后可得到封隔器胶筒的材料正定常数：10=1.53，01=0.77。

3 仿真结果分析

3.1 加载计算

根据彭建东[15]在XZ23-6井分层压裂过程中的施工参数，封隔器的工作压力约为30 MPa，本文通过油管对内胶筒加载30 MPa的压力，内胶筒在内部液体压力的作用下挤压钢带和外胶筒，最终坐封在套管上。封隔器坐封后模型如图5所示。

图5　封隔器坐封后模型

波纹状钢骨架在受力膨胀后波纹逐渐被撑开，直径变大，能够与胶筒紧密贴合，密封性能更好，且波纹状钢骨架膨胀延展后受力面积增大，单位面积所受压力变小，在一定程度上增加了钢带的承压能力。波纹状钢骨架坐封前后对比如图6所示。

图6　波纹状钢骨架坐封前后对比

3.2 内外胶筒应力分析

在30 MPa的工作压力下，通过分析波纹式钢骨架和叠层钢带内外胶筒上的应力变化情况，对二者进行性能比较，其内外胶筒上的接触应力如图7所示。图7中，横坐标为以内胶筒原长为基准的各点的相对位置。由图7可以看出，使用波纹状钢骨架后，内外胶筒中部应力明显比叠层钢带的应力分布更均匀，且其内外胶筒中间部分的接触应力更小，胶筒肩部应力也比叠层钢带小。因此，本文设计的波纹状钢骨架承压效果更好，可以更好地延长胶筒的使用寿命。

根据仿真结果得到的使用波纹钢骨架后内外胶筒Mises等效应力云图如图8所示。

图8　K344波纹状钢骨架封隔器内外胶筒Mises等效应力云图

通过图8可以更具体地看出应力在胶筒上的分布状况。

4 封隔器结构优化设计

4.1 钢骨架厚度优化

钢骨架厚度对封隔器使用寿命的影响极大。如果钢骨架的厚度过小，则能够承受的应力小；如果钢带厚度过大，也会影响封隔器的坐封效果。因此，对钢带的厚度应该合理地选择。分别建立钢骨架厚度为0.5、1.0、1.5 mm的封隔器有限元模型，在同等坐封载荷条件下进行了仿真计算。不同厚度钢骨架接触应力及形变如图9所示。

图9　不同厚度钢骨架接触应力及形变

由图9可以看出，不同厚度的钢骨架接触应力变化趋势相同；当钢骨架厚度为1.5 mm时，钢骨架的接触应力较大，胶筒肩部应力迅速增加，其变化范围为10.0～45.0 MPa，若应力过大则会造成密封效果不佳；当钢骨架厚度为0.5 mm时，钢骨架的接触应力最小，但此时钢骨架形变较大，外胶筒易发生断裂损坏；当厚度为1.0 mm时，钢骨架的接触应力变化趋势较为平缓，变化幅度不大，其值为12.0～22.0 MPa，在此条件下密封效果良好，钢骨架形变较小。因此，应选择厚度为1.0 mm的波纹式钢骨架。

4.2 钢骨架材料的优化

钢骨架质量和强度与材料的选择有关，通常可作为钢骨架的材料有很多种，本文选用不锈钢和弹簧钢两种材料进行有限元分析，采用ABAQUS软件进行仿真。两种材料的属性参数见表2，不同材料钢带接触应力曲线如图10所示。

表2　不锈钢与弹簧钢参数

图10　不同材料钢带接触应力曲线

钢骨架材料的选择影响封隔器的功能发挥和使用寿命。由图10可以看出，不锈钢上的应力分布不均匀，中间部位受到的应力为14.0～15.0 MPa，两端应力为12.0～21.5 MPa，两端应力迅速增大，如此大幅度的应力变化极易导致钢材发生损坏，影响封隔器的正常使用；弹簧钢受到的应力为14.0～16.5 MPa，整体变化平缓；弹簧钢解封后残余形变小，井下作业方便。因此，弹簧钢是比较适合的钢骨架材料。

5 结 论

（1）波纹状钢骨架可以有效地降低封隔器胶筒中部应力，使中部接触应力变化平缓，同时也在一定程度上减小胶筒肩部应力。

（2）当波纹状钢骨架厚度为1.0 mm时，封隔器内外胶筒所受接触应力及钢骨架形变量较小，综合坐封效果更好。

（3）钢骨架材料为弹簧钢时，骨架应力为14.0～16.5 MPa，整体变化趋于平缓，解封后残余形变小，坐封效果好。

［1］杨姝宜，李萍，张振华，等.不同湿度的H2S在Fe2O3表面的吸附反应研究［J］.石油化工高等学校学报，2009， 22（2）：34-37.

［2］代理震，徐冠军.水平井分段压裂管柱中K344封隔器锚定力分析及计算［J］.江汉石油职工大学学报，2016，29（3）：21-24.

［3］李旭，窦益华.压缩式封隔器胶筒变形阶段力学分析［J］.石油矿场机械，2007，36（10）：17-19.

［4］徐冠军，雷金晶，冯定，等.压缩式封隔器胶筒坐封过程数值分析［J］.决策与信息，2014（24）：85．

［5］付道明.热采井封隔器胶筒非线性大变形分析［J］.石油机械，2016，44（11）：54-58.

［6］窦益华，曹亭，王鹏，等.注水封隔器胶筒三维应力有限元仿真分析［J］.机械设计与制造工程， 2018，47（4）：39-43.

［7］陈德敏.煤层裸眼井压裂用封隔器优化设计［J］.煤矿机械， 2017，38（9）：9-11.

［8］Zhang F Y，Shui H C，Yang J M.Sealing performance and fatigue life of the fracturing packer rubber of various materials［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2019，233（17）：6157-6166.

［9］陈少奇，罗毅，邱枫，等.压缩式封隔器接触力学行为及坐封效果评价［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2019，34（4）：82-88.

［10］ 郭志平，李冠孚，王燕飞，等.基于ANSYS 的封隔器接触应力分析及结构优化［J］.机械设计与制造，2012（10）：268-270.

［11］ 王云学，许仁波，孟奇龙，等.压缩式封隔器胶筒接触力学行为有限元分析［J］.武汉科技大学学报（自然科学版），2017，40（1）：61-64.

［12］ 程心平.扩张式封隔器胶筒参数优选［J］.石油机械，2014，42（7）：64-68.

［13］ 张宇，朱庆，何激扬，等.高温高压高含硫气井生产运行期井筒完整性管理［J］. 天然气勘探与开发，2017，40（2）：80-85．

［14］ 王兰文，盛选禹.封隔器的加压扩张分析与结构优化［J］.机械制造，2019，57（9）：50-54.

［15］ 彭建东.水力扩张式封隔器在XZ3-6井分层压裂中的应用［J］.化工设计通讯，2017，43（4）：20.

Structural Optimization of K344 Corrugated Steel Frame Packer

Wang Rui1， Sun Hao1， Yu Bo2， Zhao Chunli1， Pan Yi1

（1.College of Petroleum Engineering， Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China；2.Baikouquan Oil Production Plant， PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

In the complex deep oil and gas well downhole operation, the packer needs to have good high temperature resistance, high pressure resistance and sealing performance, so as to improve the service life of the packer.Compared with the traditional K344 laminated steel belt packer, the K344 corrugated steel frame packer can effectively reduce the stress in the middle of the inner and outer rubber barrel, make the force in the middle more even, and reduce the force on the shoulder at the same time. In this paper, by using ABAQUS software, the K344 corrugated steel skeleton packer setting process in finite element simulation analysis, from two aspects of structure and material to the force of the steel strip was studied, and a simulation analysis with the optimal thickness of the strip, and the optimal material for steel belt optimized packer could better adapt to the job of deep oil and gas wells, provided a new expansion packer design thinking.

K344 packer； Corrugated structure； Simulation analysis； Steel strip thickness； Structure optimization

http：//journal.lnpu.edu.cn

TE931

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.010

1672-6952（2021）04-0058-05

2020-05-28

2020-06-20

中国石油科技创新基金项目（2017D-5007-0201）。

王瑞（1996-），男，硕士研究生，从事油气田开发方面的研究；E-mail：brown_wang@126.com。

潘一（1976-），男，博士，教授，从事油气田开发方面的研究；E-mail：panyi_bj@126.com。

（编辑 宋锦玉）