温度变化对压裂用封隔器胶筒密封性能的影响*

张付英 水浩澈 张玉飞 董城城 李天天 杨俊梅

(1.天津科技大学机械工程学院 天津 300222；2.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室 天津 300222)

封隔器是油气勘探和开发过程中实现坐封和解封最常用的工具[1]，而作为封隔器关键部件的弹性胶筒，其作用是密封套管和油管之间的环空间隙，对封隔器性能有重要的影响 。胶筒靠径向膨胀时与套管壁之间产生的接触压力起密封作用[2]，因此，胶筒的结构和工况环境都会影响封隔器的密封性能。

目前，国内外对胶筒密封的研究主要集中在胶筒的密封机制研究[3]、结构改进[4]和胶筒的变形分析[5]等方面。文献[6]研究了某一温度下胶筒的密封性能，但没有对不同温度对胶筒密封性能的影响展开研究。文献[7-9]在利用有限元方法分析胶筒密封性能时，提到了温度的影响，但没有对温度的影响进行具体的研究。文献[10-11]仅从理论上分析了不同温度下摩擦因数对密封作业的影响。实际工况下，胶筒在不同温度下承受轴向载荷的同时，还可能承受不稳定的扭转载荷，文献[13-14]中虽然提到了橡胶柱体发生扭转的问题，但并未对相关问题进行深入研究。

然而，在实际应用中，封隔器常工作在不同的压力和井下温度以及复杂的环境下，不可避免地受到较小的扭转载荷作用，因此弹性胶筒的性能既会随着温度的变化而变化，同时会随着不可预见的扭转载荷作用而发生变化。本文作者利用ABAQUS软件建立了封隔器胶筒的有限元模型，通过分析不同温度下胶筒与套管间的接触压力，研究胶筒的密封特性；同时考虑实际工况中胶筒发生的扭转，分析温度对密封性能的影响。

1 胶筒结构及其有限元模型的建立

1.1 胶筒结构及参数

文中以某型号封隔器的压缩式密封胶筒为研究对象，其结构和参数如图1所示。其中胶筒高度h为100 mm，胶筒端面倾斜角α为45°。

图1 胶筒结构

1.2 胶筒的有限元建模

文中的胶筒密封有限元模型由中心管、套管、上下隔环、胶筒4个元件构成，下隔环施加载荷，胶筒为坐封状态，初封受压载荷为11.85 MPa，工作载荷为58.15 MPa。中心管、套管、上下隔环的材料为40CrMnMo，密度为7.85 g/cm3，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.25；胶筒的材料为氢化丁晴橡胶(HNBR)，密度为1 g/cm3，硬度(IRHD)为90，弹性模量为17.33 MPa，泊松比为0.499。

胶筒采用四结点双线性轴对称四边形CAX4RH单元划分网格，中心管、上下隔环、套管、支撑环以CAX4H为单元划分网格，建立的胶筒二维有限元模型如图2所示。

图2 胶筒结构的有限元模型

由于胶筒井下作业时，处于不同的工作温度，因此，需要在胶筒有限元模型中，添加与温度相关的变量，且考虑胶筒压缩过程中摩擦所产生的温度影响[10-11]。最终建立的加入温度场的胶筒密封三维模型如图3所示。

图3 三维胶筒有限元模型

1.3 有限元模型的可行性验证

利用相同的方法建立文献[12]中的有限元模型，并且根据文献中的数据，分析25、100 ℃时胶筒最大接触应力的值，并与文献中的结果进行对比，如表1所示。

表1 文献结果与文中计算结果对比

由表1可以看出，两者分析结果基本是一致的，因此文中建立的有限元分析模型具有可行性。

2 温度对胶筒密封性能的影响

在工作载荷为58.15 MPa，其他条件相同的情况下，改变温度，分析温度对胶筒与套管间接触压力的影响。文中设置了6个温度值，分别是-25、0、25、50、75、100 ℃。通过有限元分析得到的不同温度下胶筒接触应力与轴向位移之间的关系如图4所示，不同温度下胶筒最大接触应力如图5所示。

从图4和图5可以看出：随着温度的升高，胶筒的密封性能逐渐增加；在研究的温度范围内，-25 ℃时胶筒的密封性能最差，100 ℃时胶筒的密封性能最好。这是由于随着温度的升高，胶筒的体积膨胀，增大了胶筒与套管间的接触应力，密封性能也随之提升。但工作温度太高，会使胶筒过早出现老化，降低胶筒的使用寿命。氢化丁晴橡胶材料的胶筒在不高于120 ℃温度下使用时，温度对其寿命影响不显著。

图4 不同温度下胶筒接触应力与轴向位移之间的关系

图5 不同温度下胶筒最大接触应力

3 温度变化对胶筒密封性能的影响

封隔器下井作业时，随着下井深度的不断增加，井下温度往往也会不断变化，而温度的变化，会使胶筒的密封性能发生变化。在工作载荷不变(58.15 MPa)的情况下，文中利用ABAQUS软件模拟井下作业时，温度由低到高和由高到低2种变化情况对胶筒密封性能的影响。

3.1 作业温度升高的影响

文中温度升高的变化设置了15组：从-25、0、25、50、75 ℃分别升温到100 ℃；从-25、0、25、50 ℃分别升温到75 ℃；从-25、0、25 ℃分别升温到50 ℃；从-25、0 ℃分别升温到25 ℃。在不同温度变化范围内，分析胶筒与套管间接触压力的变化情况，以及胶筒沿轴向的接触应力变化曲线，分别如图6—9所示。

图6 不同温度升高到100 ℃时轴向位移与接触应力关系曲线

图7 不同温度升高到75 ℃时轴向位移与接触应力关系曲线

图8 不同温度升高到50 ℃时轴向位移与接触应力关系

图9 不同温度升高到25 ℃时轴向位移与接触应力关系

由图6—9可以看出：升温温差越大，接触应力的增加越明显，说明胶筒的密封性能将得到提高，这也是由于温度的升高，增加了材料的体积膨胀；从-25 ℃和0 ℃升温到各个温度时，胶筒与套管之间的最大接触应力的变化趋势大致相同，且两者之间的接触应力大小没有明显差异。

3.2 作业温度降低的影响

同样温度降低的变化设置15组：从100、75、50、25、0 ℃分别降低到-25 ℃；从100、75、50、25 ℃分别降低到0 ℃；从100、75、50 ℃分别降低到25 ℃；从100、75 ℃分别降低到50 ℃。在不同温度降低变化范围内，分析胶筒与套管间接触压力的变化情况，以及胶筒沿轴向的接触应力变化曲线，分别如图10—13所示。

图10 不同温度降温到-25 ℃时胶筒轴向位移与接触应力关系

图11 不同温度降温到0 ℃时胶筒轴向位移与接触应力的关系

图12 不同温度降温到25 ℃时胶筒轴向位移与接触应力的关系

图13 不同温度降温到50 ℃时胶筒轴向位移与接触应力的关系

从图10—13可看出：随着温度的下降，胶筒的密封性能降低，温差下降越大，胶筒的密封性能越差，这是由于随着温度的降低，胶筒的弹性和变形减小引起的。当温度低于胶筒临界最低温度时，胶筒在载荷作用下不再变形，从而失去密封功能。因此，工作温度向低温的变化不利于胶筒的密封，降温梯度越小对胶筒密封性能的影响越小。

3.3 不同温度变化范围内的最大接触应力

为了比较温度变化时胶筒最大接触应力的变化情况，建立如表2所示的矩阵表，矩阵的第一列为起始温度，第一行为终止温度，矩阵的对角线为在该温度不变时胶筒的最大接触应力(基准值)，其他元素中的数字，表示与该行基准值的差值，负号代表比基准值小，正号表示比基准值大。显然，温升对提高胶筒的密封性能是有利的，但温度升高会影响胶筒的使用寿命；而温度降低不利于胶筒的密封。该矩阵对不同环境温度下封隔器的实际作业有一定的指导意义。

表2 恒温时最大接触应力及温度变化时最大接触应力的变化值

4 不同扭转载荷下温度对胶筒密封性能的影响

在实际工作中，胶筒主要承受轴向工作载荷，但由于不可预见因素的影响，胶筒不可避免地会受到较小的扭转载荷作用。75 ℃扭转载荷作用下胶筒的变形模型如图14所示。

图14 75 ℃下扭转变形胶筒

为了分析不同扭转载荷下，温度变化对胶筒密封性能的影响，在工作压差不变的情况下，考虑胶筒在未发生扭转、2°扭转、4°扭转、6°扭转、8°扭转、10°扭转载荷下，环境温度分别为-25、0、25、50、75、100 ℃时，分析胶筒与套管之间的最大接触应力值，如图15所示。

图15 不同温度下胶筒扭转角度与最大接触应力的关系

由图15可知，胶筒发生小角度扭转时，随着温度的升高，胶筒与套管之间的最大接触应力增加，有利于密封；但温度低于0 ℃时，胶筒扭转角在0°～4°之间时密封性能明显升高，并优于温度为0 ℃时胶筒的密封性能，之后随着扭转角的增加密封性能急剧下降；扭转角大于8°时，所分析温度范围内的密封性能都有所降低，说明扭转载荷和温度都会造成胶筒密封的不稳定。

5 结论

(1)当工作压差为58.15 MPa时，随着温度的升高，胶筒与套管间的接触应力不断增加，胶筒的密封性能提高。

(2)在温度不断变化的工作环境中，封隔器的密封性能也会随之发生变化，其中升温可提高胶筒与套管之间的接触应力，而降温会使胶筒与套管的接触应力减小。除起始温度低于0 ℃以外，其余各温度下升温的温差越大，胶筒与套管的最大接触应力增幅越大；降温的温差越大，胶筒与套管的接触应力减小幅度越大。

(3)胶筒在0～100 ℃作业条件下发生小角度扭转时的密封性能要优于未发生扭转作业时胶筒的密封性能；在-25 ℃时胶筒作业扭转4°时密封性能最优，之后逐渐下降。