海上熱采耐高溫三膠筒結構封隔器設計及性能評價

劉傳剛，王世強，馬認琦，王利軍，王俊姬

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

0 引言

海上稠油熱采井對封隔器膠筒有著非常高的要求，必須要求其在高溫下(350 ℃)有可靠的密封性能。現有主要耐高溫膠筒材質為全氟醚和聚四氟乙烯(PTFE)，李振環[1]的研究表明，全氟醚橡膠可以耐熱300 ℃，需要的座封力較小(15 t以下)，同時有較高的密封壓力(30 MPa)，可以滿足海上熱采密封壓力(20 MPa)需求，但是價格十分昂貴，且長時間高溫條件下會出現老化加劇、龜裂、密封失效現象；丁美平[2]的研究發現，PTFE是一種非常穩定的高分子材料，具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑、抗高溫的特點。對PTFE進行改性填充，可以研制出耐溫330 ℃的膠筒，由于膠筒材料硬度大，需要較大的座封力(40 t以上)坐封膠筒，現有座封機構的座封力(25 t以下)難以滿足要求，同時存在密封壓差小(12 MPa以下)的問題。

鑒于現有技術條件下難以解決膠筒材質本身耐高溫(350 ℃)問題，同時根據肖美立[3]的研究發現，等離子噴涂氧化鋯陶瓷(ZrO2)涂層具有高熔點、高折射率和低熱膨脹系數的性質，是絕佳的耐高溫隔熱材料，本文通過增加隔熱層的方式降低膠筒的工作溫度，并結合以上兩種耐高溫材料的特性，設計了一種可以在中心管注高溫蒸汽(350 ℃)下工作的耐高溫密封結構[4]。

1 三膠筒結構設計

基于全氟醚橡膠的常溫耐高壓特性和改性聚四氟乙烯的高溫密封特性，采用具有隔熱涂層的中心管結構，可以減少從中心管傳遞到外層的熱量，從而降低膠筒的工作溫度。設計一種隔熱中心管三膠筒密封結構(如圖1所示)，上下膠筒為較硬(邵氏硬度92)的改性聚四氟乙烯材料，中間膠筒為較軟(邵氏硬度75)的全氟醚材料。坐封后，中間膠筒在常溫下保持較高的密封能力，兩端膠筒在高溫下保持較高的密封能力。同時，由于兩端膠筒的硬度很大，高溫下流動性較低，可以很好的保護中間較軟膠筒，有效防止高溫下中間全氟醚膠筒“肩突”的發生[5]。可以極大的提高膠筒在高溫井下的安全性能。

該結構中心管外表面噴涂氧化鋯陶瓷(ZrO2)隔熱涂層可以很好減少中心管內高溫氣體的熱量傳遞，因此可以降低膠筒附近溫度，提高膠筒使用壽命。ZrO2隔熱涂層具有以下特點：①低的導熱系數，良好的隔熱性能；②良好的高溫強度及抗高溫氧化能力；③高韌性、高抗彎強度和高耐磨性；④與鋼相近的熱膨脹系數，避免受熱時膨脹不均，造成涂層脫落。

試驗表明，添加6%～8%氧化釔(Y2O3)的ZrO2具有最佳的隔熱性能，為了提高表層ZrO2的結合能力，在中心管表面噴涂中間結合層(Ni-Cr-Al-Y)，厚度0.1 mm，ZrO2表面層厚度0.4 mm[6]。

1.隔熱涂層；2.上端環；3.上隔環；4.套管；5.下隔環；6.下端環；7.中心管；8.上膠筒(改性聚四氟乙烯)；9.中膠筒(全氟醚)；10.下膠筒(改性聚四氟乙烯)。

三膠筒各零件的尺寸、材質如表1所示。

表1 三膠筒各零件參數

2 高溫熱分析

2.1 熱分析邊界條件

35CrMo的導熱系數為65 W/(m·K)，紫銅的導熱系數為386 W/(m·K)，全氟醚的導熱系數為0.16 W/(m·K)，PTFE的導熱系數為0.25 W/(m·K)，隔熱涂層導熱率2.5 W/(m·K)，空氣熱交換系數20 W/(m2·K)。

在中心管內表面施加350 ℃熱源，其余外表面為空氣熱交換，主要的熱傳遞方式為熱傳遞。

2.2 熱分析結果

通過結果可以看出，整體結構中膠筒兩端和底部接觸金屬的區域溫度最高，中間外表面部分溫度最低，中心管隔熱層外表面的溫度為295 ℃，隔熱效果明顯。下膠筒的最高溫度為311.4 ℃，最低溫度為157 ℃(如圖2所示)；中膠筒的最高溫度為319.5 ℃，最低溫度為124.5 ℃(如圖3所示)；上膠筒的最高溫度為307.4 ℃，最低溫度為157.5 ℃(如圖4所示)。

圖2 下膠筒溫度云圖

圖3 中膠筒溫度云圖

圖4 上膠筒溫度云圖

中膠筒的最高溫度比兩端膠筒最高溫度高8～12 ℃，是由于該三膠筒結構中間全氟醚膠筒的導熱系數最低，為0.16 W/(m·K)，小于中心管隔熱涂層的導熱系數。熱量由中心管傳遞到外層三膠筒附近后，中間小導熱率的膠筒比兩側膠筒具有更好的保溫性，因此溫度最高。

3 橡膠本構模型的確定

橡膠材料的特性決定了其仿真計算非常困難，可以通過建立適當的本構關系，用簡單的試驗方法確定橡膠的常數。

用于模擬橡膠的模型有多種，如Mooney-Rivlin、Gent和Yeoh等。其中，Mooney-Rivlin模型可以較好的模擬不可壓縮橡膠材料，但不適用于可壓縮和大變形硬化時的橡膠材料；Gent模型可以模擬不可壓縮且大變形的橡膠材料。Yeoh模型可以通過簡單的單軸拉伸試驗模擬出其他變形行為，在大變形條件下的計算結果與試驗數據吻合良好。本文采用適合模擬膠筒大變形的Yeoh模型[7]。

Yeoh模型的應變能函數可用公式(1)表示：

(1)

式中：I1—變形張量第一變量，無量綱；W—應變能密度函數，無量綱；C10、C20、C30—Yeoh模型常數，MPa。

通過材料的單軸拉伸試驗確定兩種材料的參數如表2所示。

表2 兩種材料的Yeoh模型參數

改性聚四氟乙烯具有和橡膠相似的特點，如大變形、應力應變曲線非線性等，因此本文中改性聚四氟乙烯與全氟醚采用相同的超彈性橡膠模型。

4 三膠筒坐封分析

4.1 結構分析邊界條件

35CrMo的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強度985 MPa，紫銅的彈性模量為102 GPa，泊松比為0.33。

將中心管長度簡化到與套管相同，固定套管、下端環與中心管下端面，在上膠筒膠筒上端面施加150 kN坐封力[8- 10]。

4.2 套管強度分析

膠筒坐封后對套管會產生接觸應力，中膠筒處的接觸應力最大，為30.4 MPa，兩端膠筒的接觸應力較小，為15.4 MPa(如圖5所示)，遠小于套管的屈服強度，不會對套管造成破壞。

圖5 等效應力圖

4.3 膠筒壓縮量分析

在相同的坐封力下，由于膠筒的硬度不同產生了不同的壓縮位移，下膠筒的最大壓縮位移為16.7 mm，壓縮量為13.9%(如圖6所示)。中膠筒的最大壓縮位移為26 mm，壓縮量為21.7%(如圖7所示)。上膠筒的最大壓縮位移為17 mm，壓縮量為14.2%(如圖8所示)。可見，中膠筒壓縮量最大，上膠筒壓縮量次之，下膠筒壓縮量最小。

圖6 下膠筒變形

圖7 中膠筒變形

圖8 上膠筒變形

由于中膠筒的邵氏硬度為75，小于兩側邵氏硬度為92的上下膠筒，因此在同樣來自上端座封力的情況下，較軟的膠筒會產生更大的變形，具有更大的壓縮量；同時由于膠筒與套管間存在摩擦力，傳遞到下膠筒的坐封力會小于作用到上膠筒的坐封力，因此，具有相同硬度的上膠筒的變形和壓縮量比下膠筒大。

4.4 接觸壓力分析

膠筒坐封后會在與套管的接觸面上產生接觸壓力，為初始接觸壓力。經過試驗，壓縮式膠筒的初始接觸壓力大于3 MPa就能形成有效密封，隨著膠筒兩側密封壓差的增大，膠筒會繼續壓縮變形，膠筒與套管間的接觸壓力也會隨之增大，并且始終大于密封壓差，穩定狀態下的接觸壓力為工作接觸壓力，工作接觸壓力大于密封壓差就能保證膠筒密封有效。

整理以上分析數據，三個膠筒的分析數據對比如表3所示。

表3 三膠筒結構分析數據

5 高溫試驗

將組裝好的三膠筒結構裝入高溫井筒，安裝好井口法蘭，連接好坐封管線和試壓管線。通過坐封管線打壓，壓力達到16 MPa、座封力為15 t后三膠筒坐封到位。利用試壓管線向環空內注入高溫導熱油，壓力達到20 MPa后關閉閥門，10 min后觀察壓力變化，無泄漏后接通加熱電源對中心管進行加熱，分別在200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃時穩定60 min，并記錄相應溫度下的壓力變化，得到溫度與壓力變化試驗數據如表4所示。

表4 溫度與壓力變化試驗數據

試驗結束后膠筒狀態如圖9所示，兩端改性聚四氟乙烯膠筒沒有發生明顯改變；中間全氟醚膠筒有少量老化脫落，膠筒中間引導槽附近有輕微凸起，相比沒有采取隔熱涂層結構的膠筒，耐高溫性能有明顯提高。

數據分析：

(1)三膠筒結構常溫下密封能力穩定，可以密封20 MPa壓差。

(2)隨著中心管溫度升高，環空密封介質也會有一定溫度升高，引起高溫導熱油體積膨脹，出現壓力升高的現象。

(3)中心管溫度到達300 ℃后，因為三膠筒結構經過高溫下變形達到二次穩定狀態，壓力會在小幅下降后穩定。

(4)中心管溫度達到350 ℃后，雖然壓力有所下降，但是最終壓力穩定在19.6 MPa，可以滿足現場使用要求。

圖9 高溫試驗后膠筒結構

6 結論

(1)三膠筒結構中，硬度最小的中膠筒具有最大的形變和壓縮量，為21.7%，相同硬度下遠離坐封機構的下膠筒的形變和壓縮量最小，為13.9%，上膠筒壓縮量為14.2%。

(2)中膠筒的接觸壓力為6.4 MPa，上膠筒和下膠筒的接觸壓力分別為5.2 MPa和4.9 MPa，可見硬度小的全氟醚膠筒相比PTFE膠筒具有更大的壓縮量和接觸壓力，因此常溫下可以實現更高的壓力密封。

(3)ZrO2隔熱涂層具有明顯的隔熱效果，采用隔熱涂層后膠筒耐高溫性能明顯提高。

(4)該耐高溫三膠筒結構在350 ℃下有良好的密封性能，可以滿足海上稠油熱采需求。