基于有限元分析的耐高溫封隔器密封件優(yōu)化設(shè)計(jì)

李娜

關(guān)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(guān)鍵元件。壓縮式膠筒是在軸向載荷作用下，產(chǎn)生軸向壓縮和徑向膨脹來(lái)填滿油管和井壁之間的環(huán)形空間，膠筒與井壁壁之間產(chǎn)生接觸壓力從而起到隔絕井液和壓力、封隔產(chǎn)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(xué)特性是很重要的，膠筒與井壁接觸所產(chǎn)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(yīng)力之間的關(guān)系對(duì)從理論上認(rèn)清膠筒的密封機(jī)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(jiǎn)非線性有限元分析模型

封隔器常用三膠筒結(jié)構(gòu)，其中心管、膠筒、井壁以及膠筒所受載荷均為軸對(duì)稱(chēng)分布，故取過(guò)軸線的剖面建立有限元計(jì)算模型，膠筒、中心管、中心環(huán)和井壁均采用軸對(duì)稱(chēng)單元進(jìn)行模擬。在有限元分析中，橡膠、井壁、中心管及隔環(huán)等用平面單元PLANE183，采用平行四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，封隔器工作時(shí)存在摩擦接觸問(wèn)題，接觸面之間建立面一面接觸，接觸面用CONTAl72接觸單元，目標(biāo)面用TARGEl69接觸單元。三膠筒體系計(jì)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(huán)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(nèi)環(huán)空壓差的作用，從上端膠筒加載對(duì)模型進(jìn)行求解。

2封隔器膠筒接觸應(yīng)力影響因素

2.1膠筒與井壁間摩擦系數(shù)

封隔器膠筒在井下實(shí)際工作條件十分復(fù)雜，準(zhǔn)確地確定其摩擦系數(shù)是非常困難的。因此，有必要研究摩擦系數(shù)對(duì)接觸應(yīng)力的影響規(guī)律。從上往下加載100kN，分析膠筒和套管間的摩擦系數(shù)從0.1～0.4之間膠筒組合中各個(gè)膠筒上的最大接觸應(yīng)力的變化。隨著摩擦系數(shù)的增加，膠筒坐封距迅速變小，接觸應(yīng)力減小，封隔器密封承壓能力減弱。最大接觸應(yīng)力與摩擦系數(shù)呈非線性關(guān)系。在一定的坐封載荷下，隨著膠筒摩擦系數(shù)的增大，膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力逐漸減小，在摩擦系數(shù)小于0.2時(shí)，接觸應(yīng)力的下降比較顯著;在摩擦系數(shù)大于0.2時(shí)，接觸應(yīng)力下降較平緩。最大接觸應(yīng)力變小可能是膠筒壓縮過(guò)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(duì)于相同的坐封壓力，膠筒硬度越大，變形能力越小。一般認(rèn)為，三個(gè)膠筒組合中，兩端膠筒硬度大，起端部保護(hù)作用，中間膠筒硬度小，起主要密封作用。對(duì)膠筒進(jìn)行不同硬度組合計(jì)算接觸應(yīng)力，結(jié)果得出。當(dāng)兩端膠筒硬度為75、80和85時(shí)，接觸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上膠筒。當(dāng)兩端膠筒硬度為90時(shí)，接觸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中間膠筒。這說(shuō)明只有端部膠筒硬度為90時(shí)，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(yīng)力變小。因此中間膠筒硬度應(yīng)盡量小。不論哪一種膠筒硬度組合，下膠筒的接觸應(yīng)力最小，密封承壓能力最低。

2.3坐封力

分析坐封力變化對(duì)接觸應(yīng)力的影響，坐封力增加，最大接觸應(yīng)力增大，二者之間存在較好的線性關(guān)系。因此，在保證安全可靠地前提下，坐封力應(yīng)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(shí)，接觸應(yīng)力的變化，膠筒端部倒角對(duì)接觸應(yīng)力的影響較小?；旧想S膠筒端部倒角的增加，最大接觸應(yīng)力先增加后減少，在端部倒角為45°時(shí)，接觸應(yīng)力較大。

2.5端部保護(hù)裝置

實(shí)踐證明當(dāng)添加端部保護(hù)裝置時(shí)，能夠提高壓縮距及接觸應(yīng)力。膠筒和封隔器外徑受套管內(nèi)徑限制不可能隨意增加，因此采用端保是一條捷徑。對(duì)加端保和不加保護(hù)的兩種膠筒進(jìn)行分析。在同坐封力作用下，增加端部保護(hù)可提高接觸應(yīng)力10%。有端保時(shí)，膠筒長(zhǎng)度方向接觸應(yīng)力從上而下逐漸降低，呈坡形分布，接觸應(yīng)力下降趨勢(shì)平緩;無(wú)端保時(shí)，接觸應(yīng)力呈馬鞍形分布，接觸應(yīng)力下降較快。端部保護(hù)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(duì)橡膠的高溫高壓使用工況，以柴油和水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，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(xué)性能比較得出，綜合考慮拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和質(zhì)量體積變化率，H1010-1橡膠的綜合性能最好。H1010-1在160℃高溫實(shí)驗(yàn)后，硬度由73降至65，拉伸強(qiáng)度為12.8MPa，保持60.3%，斷裂伸長(zhǎng)率為290%，保持80.1%，質(zhì)量變化率為19.4%，體積變化率為26.3%。

4結(jié)論

（1）利用ANSYS對(duì)封隔器進(jìn)行非線性有限元分析，通過(guò)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(shù)、膠筒硬度組合、坐封力、膠筒端面倒角、肩部保護(hù)裝置等因素對(duì)膠筒密封性能的影響規(guī)律。

（2）通過(guò)對(duì)橡膠試件進(jìn)行耐高溫眭能實(shí)驗(yàn)，掌握了多種橡膠在高溫下的力學(xué)性能，為耐高溫密封件的優(yōu)選提供指導(dǎo)。

（3）通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的膠筒進(jìn)行密封眭能試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于有限元分析的膠筒優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的科學(xué)合理性，對(duì)封隔器的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。