基于有限元分析的耐高温封隔器密封件优化设计

李娜

关键词：封隔器;胶筒;密封;有限元;高温

0引言

胶筒具有弹性和密封能力是封隔器的关键元件。压缩式胶筒是在轴向载荷作用下，产生轴向压缩和径向膨胀来填满油管和井壁之间的环形空间，胶筒与井壁壁之间产生接触压力从而起到隔绝井液和压力、封隔产层以及防止层间流体和压力互相干扰等作用。胶筒作为密封元件其力学特性是很重要的，胶筒与井壁接触所产生的接触压力，是胶筒承受工作压差的必要条件，因此研究坐封力、工作压差和接触应力之间的关系对从理论上认清胶筒的密封机理和胶筒密封的可靠性具有非常重要的意义。

1封隔器胶简非线性有限元分析模型

封隔器常用三胶筒结构，其中心管、胶筒、井壁以及胶筒所受载荷均为轴对称分布，故取过轴线的剖面建立有限元计算模型，胶筒、中心管、中心环和井壁均采用轴对称单元进行模拟。在有限元分析中，橡胶、井壁、中心管及隔环等用平面单元PLANE183，采用平行四边形单元划分网格，封隔器工作时存在摩擦接触问题，接触面之间建立面一面接触，接触面用CONTAl72接触单元，目标面用TARGEl69接触单元。三胶筒体系计算模型，边界条件为中心管和井壁上下两端固定，橡胶筒在上端支撑环的作用下压缩膨胀，随着坐封压力的不断增加与套管接触，从而起到密封封隔器上下套管内环空压差的作用，从上端胶筒加载对模型进行求解。

2封隔器胶筒接触应力影响因素

2.1胶筒与井壁间摩擦系数

封隔器胶筒在井下实际工作条件十分复杂，准确地确定其摩擦系数是非常困难的。因此，有必要研究摩擦系数对接触应力的影响规律。从上往下加载100kN，分析胶筒和套管间的摩擦系数从0.1～0.4之间胶筒组合中各个胶筒上的最大接触应力的变化。随着摩擦系数的增加，胶筒坐封距迅速变小，接触应力减小，封隔器密封承压能力减弱。最大接触应力与摩擦系数呈非线性关系。在一定的坐封载荷下，随着胶筒摩擦系数的增大，胶筒与套管之间的接触应力逐渐减小，在摩擦系数小于0.2时，接触应力的下降比较显著;在摩擦系数大于0.2时，接触应力下降较平缓。最大接触应力变小可能是胶筒压缩过程中摩擦力增大，使坐封距变小而造成的。

2.2胶筒硬度组合

对于相同的坐封压力，胶筒硬度越大，变形能力越小。一般认为，三个胶筒组合中，两端胶筒硬度大，起端部保护作用，中间胶筒硬度小，起主要密封作用。对胶筒进行不同硬度组合计算接触应力，结果得出。当两端胶筒硬度为75、80和85时，接触应力最大值出现在上胶筒。当两端胶筒硬度为90时，接触应力最大值出现在中间胶筒。这说明只有端部胶筒硬度为90时，才能使中间胶筒起主要密封作用;随中间胶筒硬度增大，最大接触应力变小。因此中间胶筒硬度应尽量小。不论哪一种胶筒硬度组合，下胶筒的接触应力最小，密封承压能力最低。

2.3坐封力

分析坐封力变化对接触应力的影响，坐封力增加，最大接触应力增大，二者之间存在较好的线性关系。因此，在保证安全可靠地前提下，坐封力应尽量大。

2.4胶筒端部倒角

分析胶筒端面倒角从0到60。变化时，接触应力的变化，胶筒端部倒角对接触应力的影响较小。基本上随胶筒端部倒角的增加，最大接触应力先增加后减少，在端部倒角为45°时，接触应力较大。

2.5端部保护装置

实践证明当添加端部保护装置时，能够提高压缩距及接触应力。胶筒和封隔器外径受套管内径限制不可能随意增加，因此采用端保是一条捷径。对加端保和不加保护的两种胶筒进行分析。在同坐封力作用下，增加端部保护可提高接触应力10%。有端保时，胶筒长度方向接触应力从上而下逐渐降低，呈坡形分布，接触应力下降趋势平缓;无端保时，接触应力呈马鞍形分布，接触应力下降较快。端部保护能改善封隔器胶筒接触压力分布情况，提高密封承压能力。

3耐高温橡胶研究

针对橡胶的高温高压使用工况，以柴油和水作为实验介质，研究了10种橡胶配方在160℃高温条件下的使用性能，各配方橡胶的力学性能比较得出，综合考虑拉伸强度、断裂伸长率和质量体积变化率，H1010-1橡胶的综合性能最好。H1010-1在160℃高温实验后，硬度由73降至65，拉伸强度为12.8MPa，保持60.3%，断裂伸长率为290%，保持80.1%，质量变化率为19.4%，体积变化率为26.3%。

4结论

（1）利用ANSYS对封隔器进行非线性有限元分析，通过分析胶筒与井壁之间的接触压力变化，研究了管外封隔器密封眭能影響因素，得到了摩擦系数、胶筒硬度组合、坐封力、胶筒端面倒角、肩部保护装置等因素对胶筒密封性能的影响规律。

（2）通过对橡胶试件进行耐高温眭能实验，掌握了多种橡胶在高温下的力学性能，为耐高温密封件的优选提供指导。

（3）通过对优化设计的胶筒进行密封眭能试验，验证了基于有限元分析的胶筒优化设计方法的科学合理性，对封隔器的设计具有指导意义。