擴張式封隔器膠筒密封性能分析及參數優化

摘"" 要：封隔器作為油氣資源開發過程中的重要工具，保證封隔器具有良好的密封性能對于油田增產增收具有重要意義。膠筒的力學性能和密封性能是封隔器具有良好密封的重要保障。利用國產工業仿真平臺Simdroid對某型號擴張式封隔器膠筒進行有限元分析，分析在不同坐封壓力下封隔器膠筒的力學性能和密封性能，并根據仿真結果對封隔器膠筒的結構參數進行優化。結果表明，膠筒與套管壁的接觸應力隨著內壓的增大而增大，且基本成線性關系。優化后的結構較優化之前膠筒錨定力提升16.5%，可適應更加復雜的現場工況。

關鍵詞：封隔器膠筒;有限元;數值仿真;工作性能;Simdroid

中圖分類號：TE931.2""""""""" 文獻標志碼：A""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.005

Analysis of The Sealing Performance and Parameter Optimization of The

Expandable Type Packer Cartridges

ZHANG Heng， LIU Yanxin， HUANG Zhihong

（School of Electromechanical Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： The packer serves as a critical component in the development of oil and gas resources. It is therefore essential that it performs its sealing function effectively in order to maximise production and revenue in oilfields. This research conducted a finite element analysis of a specific model of an expanding packer barrel using the domestic industrial simulation platform Simdroid. The study evaluated the mechanical properties and sealing effectiveness of the packer barrel under varying seating pressures and optimized its structural parameters based on the simulation results. The findings indicate that the contact stress between the barrel and the casing wall increases with internal pressure， displaying a nearly linear relationship. Furthermore， the optimized structure enhances the anchoring force of the barrel by 16.5% compared to its pre-optimized condition， thereby enabling better adaptation to more complex field scenarios.

Key words： packer cartridges; finite element; numerical simulation; operational performance; simdroid

收稿日期： 2024-08-07

基金項目： 教育部產學合作協同育人項目（220906517155007）。

作者簡介： 張 衡（1998-），男，河南焦作人，碩士研究生，現從事石油裝備設計開發工作，E-mail：jhdxpz@163.com。

文章編號：1001-3482（2025）01-0024-06

油田開發進入中后期，井下開采環境愈發復雜，地層中的剩余油藏高度分散，穩油控水難度增大，需要通過注水的方式補充地層能量。封隔器作為地層能量補充工作中的重要工具，用戶對其防蠕動性能和密封性能也日益提高[1-3]。井下開采時，經常出現因封隔器密封不嚴而造成重大的經濟損失和能源消耗。封隔器膠筒結構、形狀和尺寸不合理會引起膠筒的密封失效，且較大的殘余變形也會造成封隔器起封困難，所以封隔器的結構參數會直接影響到封隔器的工作性能。封隔器的密封性能取決于膠筒和套管之間接觸應力的峰值及分布情況，接觸應力足夠大時才能有效完成油套環空的封隔[4～6]。

雖然常規封隔器可以承受一定范圍內較大壓力差，但是在大壓差精細分層注水管柱進行注水、停注、洗井等工況轉換時，封隔器的受力狀態會發生相應改變，容易引起封隔器在管柱內部的蠕動，從而加劇封隔器膠筒的磨損，最終導致封隔器密封失效。

按照封隔器的工作原理可以將封隔器分為自封式封隔器、壓縮式封隔器、楔入式封隔器和擴張式封隔器。由于擴張式封隔器具有外徑小、擴張系數大、密封段長的優點，在石油領域得到廣泛應用[7]。文獻[8-9]對擴張式封隔器膠筒進行了研究，擴張式封隔器在坐封時，從中心管施加液壓，液體壓力由中心管的出液孔傳入膠筒內腔，從而促使膠筒從內部向外膨脹變形緊貼套管內壁，實現對油套環空的密封;在解封時，釋放油管內部的壓力后，膠筒收回實現解封。

本文利用國產工業仿真平臺Simdroid研究擴張式封隔器膠筒的結構參數對于封隔器密封性能的影響規律，為封隔器膠筒的結構優化提供指導，保證封隔器安全可靠工作。

1 封隔器膠筒結構及參數確定

膠筒作為封隔器的核心部件，膠筒的性能決定了封隔器的性能。膠筒的結構參數變化會導致膠筒在工作過程中的變形和力學性能發生變化，從而影響到封隔器膠筒的密封性能。封隔器在工作時需要膠筒產生較大的變形才能實現對套管的密封，封堵住油套環空。封隔器膠筒的變形極不均勻，特別是膠筒工作段兩端的肩部，在很小的肩部產生較大的變形，從而產生嚴重的蠕動和應力集中，這種變形特征決定了封隔器膠筒的失效形式，主要為肩部突出或者撕裂[7，10]。根據以上存在的問題，設計如圖1所示的擴張式封隔器膠筒結構。封隔器膠筒擴張段的表面設計有溝槽，可以實現降低坐封壓力的同時增加接觸面積和蠕動阻力。膠筒的上下兩端安裝在封隔器的上下保護碗中，從而限制了膠筒在徑向方向的擴張。在封隔器的溝槽位置設計有倒角，減小溝槽處因為膠筒直徑變化引起的應力集中，增加膠筒在工作過程中的安全性，并使膠筒的擴張段與安裝段之間的直徑變化實現平滑過渡，避免直徑突變引起應力集中，降低封隔器的使用壽命和工作性能。

初步設計槽間距為27 mm，寬24 mm，數量為4，槽深1.5 mm，槽兩側倒角為45 °。

封隔器在井下的工作環境十分復雜，通常在高溫、高壓以及高硫化氫含量的環境下使用[11～14]，且橡膠材料具有超彈性，在拉伸變形過程中需要經歷復雜的彈性、屈服、強化以及斷裂階段[15]，故選用耐高溫性和耐腐蝕性良好的氫化丁腈橡膠（HNBR）作為封隔器膠筒的基體。

2 封隔器膠筒工作性能模擬與驗證

膠筒是封隔器的核心部件，膠筒的密封性能直接決定了封隔器的錨定和密封性能，所以需要對膠筒的密封性能進行重點分析。

2.1 膠筒本構模型

本文采用超彈性材料模型——Mooney-Rivlin模型計算[16～17]，兩參數Mooney-Rivlin模型的彈性應變能為：

W=c10（[I1][-]-3）+c01（[I2][-]-3）+（J-1）2（1）

式中：W為應變能;[I1][-]、[I2][-]為變形張量;c10、c01和D1為材料參數;J為彈性體積比，代表材料的體積應變。

橡膠材料的彈性模量E0、剪切模量G與模型常數之間的關系為：

G=（2）

G=2（c10+c01）（3）

E0=6（c10+c01）（4）

式中：E0為橡膠材料的彈性模量;G為橡膠材料的剪切模量;μ為泊松比。

已知橡膠硬度Hr（IRHD）硬度與彈性模量E0的關系為：

lgE0=0.0198Hr-0.5432（5）

式中：Hr為橡膠硬度。

使用有限元分析方法對膠筒進行建模分析，對不同的參數影響規律進行分析。通過查閱文獻得到氫化丁腈橡膠的力學參數。確定本文所用橡膠材料的彈性模量E=5.82 MPa，泊松比μ=0.49，本構模型參數c10=0.78 MPa，c01=0.19 MPa，D1=2.06×10-8 Pa-1。

2.2 邊界條件

套管和封隔器膠筒都呈圓柱形，在環向上的受力情況相同，所以在仿真中將三維模型簡化為二維模型，可以在提高計算效率的同時得到相同的計算結果，簡化后的模型如圖2所示。上方矩形為套管，下方為封隔器膠筒。在工作時，套管與地層通過水泥環相連接，所以在分析中套管外壁對套管施加全約束，對套管的約束施加情況如圖3所示。因為封隔器膠筒的上下兩端安裝在上下保護碗中，只有中間的擴張段進行擴張，所以對封隔器膠筒的上下兩端施加全約束，約束施加情況如圖4所示。

當封隔器下入套管內時，膠筒與套管之間存在間隙，不相互接觸。當封隔器坐封時，膠筒擴張，與套管之間產生接觸，所以在進行仿真時需要在套管和膠筒之間添加接觸。接觸類型有三種：點-點接觸;點-線接觸;面-面接觸。根據封隔器的工作情況，膠筒與套管之間的接觸選擇面-面接觸，且面-面接觸的接觸區域的位移、應變、應力更加平順、準確。設置接觸時，通常選擇剛度較大的面作為主邊界，將套管的內壁設置為主邊界，將膠筒擴張段設置為從邊界，根據工作時的受力狀況，將膠筒擴張段與套管之間的接觸設置為庫侖摩擦，摩擦因數為0.2，接觸施加情況如圖5所示。

2.3 有限元網格劃分

將簡化后的模型進行網格劃分。由于套管不是主要的研究對象，所以套管使用粗網格，最大網格尺寸為3.5 mm，膠筒使用加密網格，最大網格尺寸為1 mm，單元類型選擇Quad4PE（Tri3PE），網格劃分結果如圖6所示。

2.4 不同工作條件下膠筒的密封性能

擴張式封隔器實現對油套環空的密封作用主要依靠封隔器膠筒膨脹后與套管內壁接觸產生的接觸應力，所以接觸應力可以作為評價封隔器膠筒密封性能的一個技術指標。設置套管的內徑為125 mm，膠筒外徑為110 mm，分析3、5、9、12、15 MPa內壓下封隔器膠筒的密封性能。不同內壓條件下對膠筒接觸應力的影響如圖7～12所示。

由圖7～8可以看出，在不同內壓下，膠筒的最

大變形整體呈現基本不變的情況，這是因為膠筒前期的變形主要是在內部壓力的作用下，膠筒從擴張段的中部開始膨脹，當擴張段中部與套管內壁接觸之后，變形從擴張段中部開始向兩端延申，直至擴張段與套管內壁完全接觸，此時膠筒的變形主要為橡膠材料的壓縮變形，所以此時膠筒的最大變形量基本保持不變。

由圖9～10中可以看出，隨著坐封壓力的增加，膠筒的Mises應力整體呈現上升趨勢。膠筒在肩部出現應力集中的現象，膠筒表面出現條紋狀應力集中的現象。結合仿真結果，膠筒在實際工作中在膠筒的肩部位置最容易破壞，應重點防護。

由圖11～12中可以看出，隨著內壓的增大，膠筒與套管之間的最大接觸應力整體呈現直線上升的趨勢，且整體變化趨勢較為平穩，基本呈正比關系。可以看出，當套管內徑一定時，內壓越大，膠筒與套管之間的最大接觸應力越大，密封性能越好。

3 封隔器膠筒結構參數優化

為提高封隔器膠筒的工作性能，需要分析膠筒的凹槽深度和凹槽寬度對封隔器膠筒密封性能的影響規律，為膠筒結構參數的優選提供依據。

3.1 凹槽深度影響規律分析

為了研究不同的凹槽深度對封隔器膠筒密封性能的影響，分析中設置凹槽寬度為24 mm、凹槽倒角為45 °和工作壓力為15 MPa，以0.2 mm為梯度分別建立了凹槽深度從0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的有限元模型。不同凹槽深度下膠筒的密封性能分析結果如圖13～14所示。

根據分析結果可知，在15 MPa的壓力下，隨著凹槽深度的增加，膠筒的接觸應力逐漸增大。在膠筒的變形過程中，當內部壓力增大到一定程度之后，位于凹槽內部的橡膠與套管的接觸面積會增大并分擔一部分壓力。隨著凹槽深度的增加，凹槽內部要與套管內壁接觸所需要的壓力也隨之增大并且分擔的壓力也變小，所以需要膠筒的外壁面分擔更多的壓力，從而使膠筒的接觸應力增大。隨著凹槽深度從0.5 mm增加至2.5 mm，膠筒的最大接觸應力從14.013 MPa增加至18.243 MPa，且膠筒的錨定力變化不大，產生的錨定力主要集中在154 kN至155 kN之間，所以凹槽深度對錨定力的大小影響不大。

3.2 凹槽寬度影響規律分析

為了研究不同的凹槽寬度對封隔器膠筒密封性能的影響，分析中設置凹槽深度為1.5 mm、凹槽倒角為45 °和工作壓力為15 MPa，以1 mm為梯度分別建立了凹槽寬度從15 mm至30 mm的有限元模型。不同凹槽寬度下膠筒的密封性能分析結果如圖15～16所示。

由圖15～16可以看出，在15 MPa的坐封壓力下，隨著凹槽寬度的增加，膠筒的接觸應力也隨之逐漸增加。在膠筒受力變形過程中，膠筒的外壁面首先與套管內壁接觸，且由于凹槽寬度增加，膠筒首先與套管接觸的區域面積變小，而膠筒內壁承受的壓力不變，使得膠筒的接觸應力增大。隨著凹槽寬度的增加，膠筒產生的錨定力也增加，隨后其增加趨勢逐漸減緩。

3.3 封隔器膠筒結構參數優選

根據凹槽寬度和凹槽深度對膠筒工作性能的影響程度，對封隔器膠筒結構參數進行優選，考慮到膠筒的屈服應力為12 MPa，最終確定膠筒的最優參數：凹槽寬度27 mm，凹槽深度1.5 mm。對優選后的結構參數進行仿真分析，結果顯示，優選后封隔器膠筒的最大接觸應力為17.642 MPa，較優化前17.203 MPa增大2.5%。

4 封隔器膠筒密封性能測試

根據擴張式封隔器的設計方案以及結構優化結果，按照所得尺寸參數，試制擴張式封隔器膠筒實物，并對膠筒的工作性能進行測試。封隔器膠筒工作性能測試裝置如圖17所示，試驗時將膠筒裝入封隔器內，在封隔器內部施加壓力促使膠筒膨脹與套管緊密接觸，完成封隔器的坐封過程，當試驗結束時撤回液體壓力即可完成封隔器的解封。

試驗前，先將封隔器膠筒與封隔器安裝在一起，密封槽處涂抹適量潤滑脂，普通螺紋表面涂抹機油，在封隔器的下端連接盲堵，以封堵封隔器的下端出口，安裝好的封隔器如圖18所示。將擴張式封隔器整體安裝在套管內，安裝時不能損壞擴張式封隔器膠筒，同時將管線與套管上部相連，連接高壓試壓泵，通過油管管線、套管密封蓋連接油管和套管。之后打開與油管相連的管線上的截止閥，高壓試壓泵通過油管管線加壓至20 MPa，每2 MPa穩壓15 min，觀察試壓泵壓力表是否波動，做好試驗記錄。最后通過試壓泵加壓推動與封隔器相連接的活塞，當膠筒開始移動時，記錄膠筒移動時的泵壓，根據活塞的面積和泵壓計算不同坐封壓力下膠筒的錨定力。

依托擴張式封隔器試驗裝置，開展擴張式封隔器工作性能試驗測試并進行效果評價，得到擴張式封隔器工作性能效果評價如圖19所示。

由圖19可知，在15 MPa坐封壓力下試驗獲得優化后擴張式封隔器膠筒的錨定力為185.24 kN，仿真計算獲得膠筒的錨定力為169.74 kN，誤差為8.4%，精度滿足要求。優化前擴張式封隔器膠筒的錨定力為154.61 kN，性能提升16.5%，工作性能提升明顯，具有較好的密封效果。

5 結論

本文基于國產工業仿真平臺Simdroid，研究了某型號擴張式封隔器膠筒在不同內壓下的密封性能。得到以下結論：

1） 隨著坐封壓力的增加，擴張式封隔器膠筒的密封性能基本呈線性提高。

2） 擴張式封隔器膠筒工作性能的仿真分析和試驗結果基本保持一致，誤差在10%以內，說明建立的擴張式封隔器膠筒的仿真模型具有較好的擬合效果。

3） 當膠筒的凹槽寬度保持不變，隨著膠筒的凹槽深度的增加，膠筒的錨定力變化不大;當膠筒的凹槽深度保持不變，隨著膠筒的凹槽寬度的增加，膠筒的錨定力呈先增加而后變緩的趨勢。

4） 針對擴張式封隔器膠筒，保持凹槽深度為1.5 mm不變，優選凹槽寬度為27 mm，可以提高擴張式封隔器膠筒的工作性能，以滿足更加復雜的現場工況。

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（編輯：韓睿超）