扩张式封隔器胶筒密封性能分析及参数优化

摘"" 要：封隔器作为油气资源开发过程中的重要工具，保证封隔器具有良好的密封性能对于油田增产增收具有重要意义。胶筒的力学性能和密封性能是封隔器具有良好密封的重要保障。利用国产工业仿真平台Simdroid对某型号扩张式封隔器胶筒进行有限元分析，分析在不同坐封压力下封隔器胶筒的力学性能和密封性能，并根据仿真结果对封隔器胶筒的结构参数进行优化。结果表明，胶筒与套管壁的接触应力随着内压的增大而增大，且基本成线性关系。优化后的结构较优化之前胶筒锚定力提升16.5%，可适应更加复杂的现场工况。

关键词：封隔器胶筒;有限元;数值仿真;工作性能;Simdroid

中图分类号：TE931.2""""""""" 文献标志码：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

基金项目： 教育部产学合作协同育人项目（220906517155007）。

作者简介： 张 衡（1998-），男，河南焦作人，硕士研究生，现从事石油装备设计开发工作，E-mail：jhdxpz@163.com。

文章编号：1001-3482（2025）01-0024-06

油田开发进入中后期，井下开采环境愈发复杂，地层中的剩余油藏高度分散，稳油控水难度增大，需要通过注水的方式补充地层能量。封隔器作为地层能量补充工作中的重要工具，用户对其防蠕动性能和密封性能也日益提高[1-3]。井下开采时，经常出现因封隔器密封不严而造成重大的经济损失和能源消耗。封隔器胶筒结构、形状和尺寸不合理会引起胶筒的密封失效，且较大的残余变形也会造成封隔器起封困难，所以封隔器的结构参数会直接影响到封隔器的工作性能。封隔器的密封性能取决于胶筒和套管之间接触应力的峰值及分布情况，接触应力足够大时才能有效完成油套环空的封隔[4～6]。

虽然常规封隔器可以承受一定范围内较大压力差，但是在大压差精细分层注水管柱进行注水、停注、洗井等工况转换时，封隔器的受力状态会发生相应改变，容易引起封隔器在管柱内部的蠕动，从而加剧封隔器胶筒的磨损，最终导致封隔器密封失效。

按照封隔器的工作原理可以将封隔器分为自封式封隔器、压缩式封隔器、楔入式封隔器和扩张式封隔器。由于扩张式封隔器具有外径小、扩张系数大、密封段长的优点，在石油领域得到广泛应用[7]。文献[8-9]对扩张式封隔器胶筒进行了研究，扩张式封隔器在坐封时，从中心管施加液压，液体压力由中心管的出液孔传入胶筒内腔，从而促使胶筒从内部向外膨胀变形紧贴套管内壁，实现对油套环空的密封;在解封时，释放油管内部的压力后，胶筒收回实现解封。

本文利用国产工业仿真平台Simdroid研究扩张式封隔器胶筒的结构参数对于封隔器密封性能的影响规律，为封隔器胶筒的结构优化提供指导，保证封隔器安全可靠工作。

1 封隔器胶筒结构及参数确定

胶筒作为封隔器的核心部件，胶筒的性能决定了封隔器的性能。胶筒的结构参数变化会导致胶筒在工作过程中的变形和力学性能发生变化，从而影响到封隔器胶筒的密封性能。封隔器在工作时需要胶筒产生较大的变形才能实现对套管的密封，封堵住油套环空。封隔器胶筒的变形极不均匀，特别是胶筒工作段两端的肩部，在很小的肩部产生较大的变形，从而产生严重的蠕动和应力集中，这种变形特征决定了封隔器胶筒的失效形式，主要为肩部突出或者撕裂[7，10]。根据以上存在的问题，设计如图1所示的扩张式封隔器胶筒结构。封隔器胶筒扩张段的表面设计有沟槽，可以实现降低坐封压力的同时增加接触面积和蠕动阻力。胶筒的上下两端安装在封隔器的上下保护碗中，从而限制了胶筒在径向方向的扩张。在封隔器的沟槽位置设计有倒角，减小沟槽处因为胶筒直径变化引起的应力集中，增加胶筒在工作过程中的安全性，并使胶筒的扩张段与安装段之间的直径变化实现平滑过渡，避免直径突变引起应力集中，降低封隔器的使用寿命和工作性能。

初步设计槽间距为27 mm，宽24 mm，数量为4，槽深1.5 mm，槽两侧倒角为45 °。

封隔器在井下的工作环境十分复杂，通常在高温、高压以及高硫化氢含量的环境下使用[11～14]，且橡胶材料具有超弹性，在拉伸变形过程中需要经历复杂的弹性、屈服、强化以及断裂阶段[15]，故选用耐高温性和耐腐蚀性良好的氢化丁腈橡胶（HNBR）作为封隔器胶筒的基体。

2 封隔器胶筒工作性能模拟与验证

胶筒是封隔器的核心部件，胶筒的密封性能直接决定了封隔器的锚定和密封性能，所以需要对胶筒的密封性能进行重点分析。

2.1 胶筒本构模型

本文采用超弹性材料模型——Mooney-Rivlin模型计算[16～17]，两参数Mooney-Rivlin模型的弹性应变能为：

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

式中：W为应变能;[I1][-]、[I2][-]为变形张量;c10、c01和D1为材料参数;J为弹性体积比，代表材料的体积应变。

橡胶材料的弹性模量E0、剪切模量G与模型常数之间的关系为：

G=（2）

G=2（c10+c01）（3）

E0=6（c10+c01）（4）

式中：E0为橡胶材料的弹性模量;G为橡胶材料的剪切模量;μ为泊松比。

已知橡胶硬度Hr（IRHD）硬度与弹性模量E0的关系为：

lgE0=0.0198Hr-0.5432（5）

式中：Hr为橡胶硬度。

使用有限元分析方法对胶筒进行建模分析，对不同的参数影响规律进行分析。通过查阅文献得到氢化丁腈橡胶的力学参数。确定本文所用橡胶材料的弹性模量E=5.82 MPa，泊松比μ=0.49，本构模型参数c10=0.78 MPa，c01=0.19 MPa，D1=2.06×10-8 Pa-1。

2.2 边界条件

套管和封隔器胶筒都呈圆柱形，在环向上的受力情况相同，所以在仿真中将三维模型简化为二维模型，可以在提高计算效率的同时得到相同的计算结果，简化后的模型如图2所示。上方矩形为套管，下方为封隔器胶筒。在工作时，套管与地层通过水泥环相连接，所以在分析中套管外壁对套管施加全约束，对套管的约束施加情况如图3所示。因为封隔器胶筒的上下两端安装在上下保护碗中，只有中间的扩张段进行扩张，所以对封隔器胶筒的上下两端施加全约束，约束施加情况如图4所示。

当封隔器下入套管内时，胶筒与套管之间存在间隙，不相互接触。当封隔器坐封时，胶筒扩张，与套管之间产生接触，所以在进行仿真时需要在套管和胶筒之间添加接触。接触类型有三种：点-点接触;点-线接触;面-面接触。根据封隔器的工作情况，胶筒与套管之间的接触选择面-面接触，且面-面接触的接触区域的位移、应变、应力更加平顺、准确。设置接触时，通常选择刚度较大的面作为主边界，将套管的内壁设置为主边界，将胶筒扩张段设置为从边界，根据工作时的受力状况，将胶筒扩张段与套管之间的接触设置为库仑摩擦，摩擦因数为0.2，接触施加情况如图5所示。

2.3 有限元网格划分

将简化后的模型进行网格划分。由于套管不是主要的研究对象，所以套管使用粗网格，最大网格尺寸为3.5 mm，胶筒使用加密网格，最大网格尺寸为1 mm，单元类型选择Quad4PE（Tri3PE），网格划分结果如图6所示。

2.4 不同工作条件下胶筒的密封性能

扩张式封隔器实现对油套环空的密封作用主要依靠封隔器胶筒膨胀后与套管内壁接触产生的接触应力，所以接触应力可以作为评价封隔器胶筒密封性能的一个技术指标。设置套管的内径为125 mm，胶筒外径为110 mm，分析3、5、9、12、15 MPa内压下封隔器胶筒的密封性能。不同内压条件下对胶筒接触应力的影响如图7～12所示。

由图7～8可以看出，在不同内压下，胶筒的最

大变形整体呈现基本不变的情况，这是因为胶筒前期的变形主要是在内部压力的作用下，胶筒从扩张段的中部开始膨胀，当扩张段中部与套管内壁接触之后，变形从扩张段中部开始向两端延申，直至扩张段与套管内壁完全接触，此时胶筒的变形主要为橡胶材料的压缩变形，所以此时胶筒的最大变形量基本保持不变。

由图9～10中可以看出，随着坐封压力的增加，胶筒的Mises应力整体呈现上升趋势。胶筒在肩部出现应力集中的现象，胶筒表面出现条纹状应力集中的现象。结合仿真结果，胶筒在实际工作中在胶筒的肩部位置最容易破坏，应重点防护。

由图11～12中可以看出，随着内压的增大，胶筒与套管之间的最大接触应力整体呈现直线上升的趋势，且整体变化趋势较为平稳，基本呈正比关系。可以看出，当套管内径一定时，内压越大，胶筒与套管之间的最大接触应力越大，密封性能越好。

3 封隔器胶筒结构参数优化

为提高封隔器胶筒的工作性能，需要分析胶筒的凹槽深度和凹槽宽度对封隔器胶筒密封性能的影响规律，为胶筒结构参数的优选提供依据。

3.1 凹槽深度影响规律分析

为了研究不同的凹槽深度对封隔器胶筒密封性能的影响，分析中设置凹槽宽度为24 mm、凹槽倒角为45 °和工作压力为15 MPa，以0.2 mm为梯度分别建立了凹槽深度从0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的有限元模型。不同凹槽深度下胶筒的密封性能分析结果如图13～14所示。

根据分析结果可知，在15 MPa的压力下，随着凹槽深度的增加，胶筒的接触应力逐渐增大。在胶筒的变形过程中，当内部压力增大到一定程度之后，位于凹槽内部的橡胶与套管的接触面积会增大并分担一部分压力。随着凹槽深度的增加，凹槽内部要与套管内壁接触所需要的压力也随之增大并且分担的压力也变小，所以需要胶筒的外壁面分担更多的压力，从而使胶筒的接触应力增大。随着凹槽深度从0.5 mm增加至2.5 mm，胶筒的最大接触应力从14.013 MPa增加至18.243 MPa，且胶筒的锚定力变化不大，产生的锚定力主要集中在154 kN至155 kN之间，所以凹槽深度对锚定力的大小影响不大。

3.2 凹槽宽度影响规律分析

为了研究不同的凹槽宽度对封隔器胶筒密封性能的影响，分析中设置凹槽深度为1.5 mm、凹槽倒角为45 °和工作压力为15 MPa，以1 mm为梯度分别建立了凹槽宽度从15 mm至30 mm的有限元模型。不同凹槽宽度下胶筒的密封性能分析结果如图15～16所示。

由图15～16可以看出，在15 MPa的坐封压力下，随着凹槽宽度的增加，胶筒的接触应力也随之逐渐增加。在胶筒受力变形过程中，胶筒的外壁面首先与套管内壁接触，且由于凹槽宽度增加，胶筒首先与套管接触的区域面积变小，而胶筒内壁承受的压力不变，使得胶筒的接触应力增大。随着凹槽宽度的增加，胶筒产生的锚定力也增加，随后其增加趋势逐渐减缓。

3.3 封隔器胶筒结构参数优选

根据凹槽宽度和凹槽深度对胶筒工作性能的影响程度，对封隔器胶筒结构参数进行优选，考虑到胶筒的屈服应力为12 MPa，最终确定胶筒的最优参数：凹槽宽度27 mm，凹槽深度1.5 mm。对优选后的结构参数进行仿真分析，结果显示，优选后封隔器胶筒的最大接触应力为17.642 MPa，较优化前17.203 MPa增大2.5%。

4 封隔器胶筒密封性能测试

根据扩张式封隔器的设计方案以及结构优化结果，按照所得尺寸参数，试制扩张式封隔器胶筒实物，并对胶筒的工作性能进行测试。封隔器胶筒工作性能测试装置如图17所示，试验时将胶筒装入封隔器内，在封隔器内部施加压力促使胶筒膨胀与套管紧密接触，完成封隔器的坐封过程，当试验结束时撤回液体压力即可完成封隔器的解封。

试验前，先将封隔器胶筒与封隔器安装在一起，密封槽处涂抹适量润滑脂，普通螺纹表面涂抹机油，在封隔器的下端连接盲堵，以封堵封隔器的下端出口，安装好的封隔器如图18所示。将扩张式封隔器整体安装在套管内，安装时不能损坏扩张式封隔器胶筒，同时将管线与套管上部相连，连接高压试压泵，通过油管管线、套管密封盖连接油管和套管。之后打开与油管相连的管线上的截止阀，高压试压泵通过油管管线加压至20 MPa，每2 MPa稳压15 min，观察试压泵压力表是否波动，做好试验记录。最后通过试压泵加压推动与封隔器相连接的活塞，当胶筒开始移动时，记录胶筒移动时的泵压，根据活塞的面积和泵压计算不同坐封压力下胶筒的锚定力。

依托扩张式封隔器试验装置，开展扩张式封隔器工作性能试验测试并进行效果评价，得到扩张式封隔器工作性能效果评价如图19所示。

由图19可知，在15 MPa坐封压力下试验获得优化后扩张式封隔器胶筒的锚定力为185.24 kN，仿真计算获得胶筒的锚定力为169.74 kN，误差为8.4%，精度满足要求。优化前扩张式封隔器胶筒的锚定力为154.61 kN，性能提升16.5%，工作性能提升明显，具有较好的密封效果。

5 结论

本文基于国产工业仿真平台Simdroid，研究了某型号扩张式封隔器胶筒在不同内压下的密封性能。得到以下结论：

1） 随着坐封压力的增加，扩张式封隔器胶筒的密封性能基本呈线性提高。

2） 扩张式封隔器胶筒工作性能的仿真分析和试验结果基本保持一致，误差在10%以内，说明建立的扩张式封隔器胶筒的仿真模型具有较好的拟合效果。

3） 当胶筒的凹槽宽度保持不变，随着胶筒的凹槽深度的增加，胶筒的锚定力变化不大;当胶筒的凹槽深度保持不变，随着胶筒的凹槽宽度的增加，胶筒的锚定力呈先增加而后变缓的趋势。

4） 针对扩张式封隔器胶筒，保持凹槽深度为1.5 mm不变，优选凹槽宽度为27 mm，可以提高扩张式封隔器胶筒的工作性能，以满足更加复杂的现场工况。

参考文献：

[1] 马美琴，陈岚，柯俊.压缩式封隔器胶筒的研究进展[J].橡胶工业，2023，70（11）：917-921.

[2] 郭飞，黄毅杰，宋炜，等.基于Ansys的封隔器密封胶筒性能优化[J].润滑与密封，2020，45（8）：12-18.

[3] 王向东，朱骏蒙.扩张式封隔器密封性能评价及影响因素分析[J].内蒙古石油化工，2023，49（9）：47-51.

[4] 林付利.基于有限元数值模拟的封隔器胶筒力学特征分析[J].石油和化工设备，2022，25（10）：24-27.

[5] 程心平.扩张式封隔器胶筒参数优选[J].石油机械，2014，

42（7）：64-68.

[6] 戚元秋. 扩张式封隔器胶筒工作特性研究及结构优化[D].青岛：中国石油大学（华东），2024.

[7] 王旱祥，张砚雯，车家琪，等.锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素[J].天然气工业，2020，40（1）：97-103.

[8] 程心平.扩张式封隔器胶筒力学性能分析[J].石油机械，2014，42（6）：72-76.

[9] 彭冲，欧阳传湘，谭钲扬，等.扩张式封隔器接触力学行为及坐封效果评价[J].西安石油大学学报（自然科学版），2021，36（3）：90-96.

[10] 徐小晨，张公社.封隔器胶筒肩部的力学分析[J].能源与环保，2017，39（9）：150-153.

[11] 孙永涛，魏安超，陈宗琦，等.高温高压封隔器胶筒密封结构设计[J].润滑与密封，2023，48（9）：140-145.

[12] 毛军.高温高压测试封隔器胶筒的研制[J].石油钻采工艺，2023，45（5）：638-643.

[13] 卢秋羽，李俊亮，许永权，等.浅谈高温高压井下封隔器发展现状[J].中国设备工程，2024（1）：18-20.

[14] 姚辉前，段风海，徐善瑞，等.基于Arrhenius方程封隔器胶筒的寿命预测研究[J].钻采工艺，2023，46（2）：100-105.

[15] 赵小龙，刁晓勇，姜国良，等.氢化丁腈橡胶本构模型参数确定方法[J].合成橡胶工业，2019，42（5）：352-356.

[16] 张辛，徐兴平，王雷.封隔器胶筒结构改进及优势分析[J].石油矿场机械，2013，42（1）：62-66.

[17] 赵小龙，刁晓勇，姜国良，等.氢化丁腈橡胶本构模型参数确定方法[J].合成橡胶工业，2019，42（5）：352-356.

（编辑：韩睿超）