基于有限元分析的耐高溫封隔器密封件優化設計

李娜

關鍵詞：封隔器;膠筒;密封;有限元;高溫

0引言

膠筒具有彈性和密封能力是封隔器的關鍵元件。壓縮式膠筒是在軸向載荷作用下，產生軸向壓縮和徑向膨脹來填滿油管和井壁之間的環形空間，膠筒與井壁壁之間產生接觸壓力從而起到隔絕井液和壓力、封隔產層以及防止層間流體和壓力互相干擾等作用。膠筒作為密封元件其力學特性是很重要的，膠筒與井壁接觸所產生的接觸壓力，是膠筒承受工作壓差的必要條件，因此研究坐封力、工作壓差和接觸應力之間的關系對從理論上認清膠筒的密封機理和膠筒密封的可靠性具有非常重要的意義。

1封隔器膠簡非線性有限元分析模型

封隔器常用三膠筒結構，其中心管、膠筒、井壁以及膠筒所受載荷均為軸對稱分布，故取過軸線的剖面建立有限元計算模型，膠筒、中心管、中心環和井壁均采用軸對稱單元進行模擬。在有限元分析中，橡膠、井壁、中心管及隔環等用平面單元PLANE183，采用平行四邊形單元劃分網格，封隔器工作時存在摩擦接觸問題，接觸面之間建立面一面接觸，接觸面用CONTAl72接觸單元，目標面用TARGEl69接觸單元。三膠筒體系計算模型，邊界條件為中心管和井壁上下兩端固定，橡膠筒在上端支撐環的作用下壓縮膨脹，隨著坐封壓力的不斷增加與套管接觸，從而起到密封封隔器上下套管內環空壓差的作用，從上端膠筒加載對模型進行求解。

2封隔器膠筒接觸應力影響因素

2.1膠筒與井壁間摩擦系數

封隔器膠筒在井下實際工作條件十分復雜，準確地確定其摩擦系數是非常困難的。因此，有必要研究摩擦系數對接觸應力的影響規律。從上往下加載100kN，分析膠筒和套管間的摩擦系數從0.1～0.4之間膠筒組合中各個膠筒上的最大接觸應力的變化。隨著摩擦系數的增加，膠筒坐封距迅速變小，接觸應力減小，封隔器密封承壓能力減弱。最大接觸應力與摩擦系數呈非線性關系。在一定的坐封載荷下，隨著膠筒摩擦系數的增大，膠筒與套管之間的接觸應力逐漸減小，在摩擦系數小于0.2時，接觸應力的下降比較顯著;在摩擦系數大于0.2時，接觸應力下降較平緩。最大接觸應力變小可能是膠筒壓縮過程中摩擦力增大，使坐封距變小而造成的。

2.2膠筒硬度組合

對于相同的坐封壓力，膠筒硬度越大，變形能力越小。一般認為，三個膠筒組合中，兩端膠筒硬度大，起端部保護作用，中間膠筒硬度小，起主要密封作用。對膠筒進行不同硬度組合計算接觸應力，結果得出。當兩端膠筒硬度為75、80和85時，接觸應力最大值出現在上膠筒。當兩端膠筒硬度為90時，接觸應力最大值出現在中間膠筒。這說明只有端部膠筒硬度為90時，才能使中間膠筒起主要密封作用;隨中間膠筒硬度增大，最大接觸應力變小。因此中間膠筒硬度應盡量小。不論哪一種膠筒硬度組合，下膠筒的接觸應力最小，密封承壓能力最低。

2.3坐封力

分析坐封力變化對接觸應力的影響，坐封力增加，最大接觸應力增大，二者之間存在較好的線性關系。因此，在保證安全可靠地前提下，坐封力應盡量大。

2.4膠筒端部倒角

分析膠筒端面倒角從0到60。變化時，接觸應力的變化，膠筒端部倒角對接觸應力的影響較小。基本上隨膠筒端部倒角的增加，最大接觸應力先增加后減少，在端部倒角為45°時，接觸應力較大。

2.5端部保護裝置

實踐證明當添加端部保護裝置時，能夠提高壓縮距及接觸應力。膠筒和封隔器外徑受套管內徑限制不可能隨意增加，因此采用端保是一條捷徑。對加端保和不加保護的兩種膠筒進行分析。在同坐封力作用下，增加端部保護可提高接觸應力10%。有端保時，膠筒長度方向接觸應力從上而下逐漸降低，呈坡形分布，接觸應力下降趨勢平緩;無端保時，接觸應力呈馬鞍形分布，接觸應力下降較快。端部保護能改善封隔器膠筒接觸壓力分布情況，提高密封承壓能力。

3耐高溫橡膠研究

針對橡膠的高溫高壓使用工況，以柴油和水作為實驗介質，研究了10種橡膠配方在160℃高溫條件下的使用性能，各配方橡膠的力學性能比較得出，綜合考慮拉伸強度、斷裂伸長率和質量體積變化率，H1010-1橡膠的綜合性能最好。H1010-1在160℃高溫實驗后，硬度由73降至65，拉伸強度為12.8MPa，保持60.3%，斷裂伸長率為290%，保持80.1%，質量變化率為19.4%，體積變化率為26.3%。

4結論

（1）利用ANSYS對封隔器進行非線性有限元分析，通過分析膠筒與井壁之間的接觸壓力變化，研究了管外封隔器密封眭能影響因素，得到了摩擦系數、膠筒硬度組合、坐封力、膠筒端面倒角、肩部保護裝置等因素對膠筒密封性能的影響規律。

（2）通過對橡膠試件進行耐高溫眭能實驗，掌握了多種橡膠在高溫下的力學性能，為耐高溫密封件的優選提供指導。

（3）通過對優化設計的膠筒進行密封眭能試驗，驗證了基于有限元分析的膠筒優化設計方法的科學合理性，對封隔器的設計具有指導意義。