遇水自膨脹封隔器密封性能研究與防突結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉 陽，杜鵬德，高 原

（德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東 德州253000）＊

遇水自膨脹封隔器作為近幾年來發(fā)展較快的一種新型裸眼封隔器，通過遇水膨脹橡膠材料中的網(wǎng)狀吸水聚合物吸收自由水產(chǎn)生體積膨脹，從而使橡膠體積增大，體積膨脹后的膠筒通過與井壁的壓實作用達到密封環(huán)空的目的［1－3］。相對于壓縮式和水力擴張式裸眼封隔器，自膨脹封隔器結(jié)構(gòu)簡單、施工下入方便、可靠性高，能有效降低作業(yè)成本，提高完井效率。

自膨脹膠筒與套管、井壁之間的接觸應(yīng)力是膠筒承受工作壓差的必要條件，在橡膠和地層強度允許的條件下，接觸應(yīng)力越大密封性越好。在驗封過程中，由于兩端壓差的作用，膨脹后的膠筒末端會承受與金屬端環(huán)的擠壓力，存在破壞失效風(fēng)險。本文利用ABAQUS有限元分析軟件，模擬脹封過程中和脹封后膠筒與套管、井壁間的接觸應(yīng)力，得到不同規(guī)格防突結(jié)構(gòu)對膠筒的支撐性能，為判斷設(shè)計缺陷和進一步改進提供依據(jù)，以確定最佳設(shè)計方案。

1 地面密封性能試驗

1.1 封隔器膠筒密封機理分析

遇水自膨脹封隔器不同于壓縮式和水力擴張式封隔器，它是一種依靠密封單元與井壁的過盈和工作壓差實現(xiàn)密封的自封式封隔器［4］。其密封過程分2個階段：

1） 膠筒在受井壁約束的情況下持續(xù)吸液膨脹，膠筒和井壁之間產(chǎn)生了一定的過盈，橡膠的反彈力給井壁一定的初始壓力，從而產(chǎn)生了預(yù)密封作用，即初封過程。

2） 初封后的膠筒在驗封過程中受壓差作用，會整體向壓力低的一側(cè)變形，隨著壓力增大，膠筒變形量越大，其與井壁的接觸應(yīng)力也就越大，產(chǎn)生的密封效果也就越好［5－7］。

膠筒在壓差作用下產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為

式中：pm為壓差作用下的最大接觸應(yīng)力；po為膠筒與井壁的初始接觸壓力；Δpc為壓差經(jīng)過膠筒傳遞給接觸面的最大接觸壓力，即介質(zhì)作用接觸壓力。

其中，

式中：Δp為封隔器承受壓差，即Δp＝p1－p2；k為側(cè)壓系數(shù)，k＝μ／（1－μ）；μ為遇水膨脹橡膠在該膨脹率下的泊松比。

由式（1）可知：要保持封隔器穩(wěn)定密封，只要滿足pm≥Δp即可，故應(yīng)保持足夠的初始接觸應(yīng)力po。體現(xiàn)在膠筒的受力狀態(tài)上，即阻礙粘流阻力應(yīng)與兩端壓差所產(chǎn)生的促使液柱流動的推動力相平衡，pm、Δp與環(huán)空面積、膠筒接觸長度都有關(guān)系，得出膠筒處于穩(wěn)定封壓狀態(tài)下的力平衡關(guān)系式為

式中：τ為膠筒所受剪切應(yīng)力。

由式（2）可以看出：膠筒在長度L范圍內(nèi)，τ為定值，L越長封壓能力越高。如果膠筒在外周邊上有應(yīng)力集中的缺口，則橡膠將在此處斷裂。斷裂后膠筒的密封長度L減少，將不能承受原有的介質(zhì)壓力作用，即密封失效［8］。膠筒受力模型如圖1。

圖1 膠筒受力模型

1.2 地面試驗

對遇水自膨脹封隔器樣機進行膨脹以及封壓試驗，試驗環(huán)境以及所用樣機參數(shù)如表1所示。

表1 遇水自膨脹封隔器性能測試條件

試驗顯示：在連續(xù)驗封5d后，封壓能力出現(xiàn)緩慢下降，10d后封壓能力不足8MPa，將封隔器樣機取出后，膠筒末端出現(xiàn)以撕裂為主的破壞，如圖2所示。

圖2 膠筒端部結(jié)構(gòu)破壞形式

1.3 封隔器膠筒破壞機理分析

由圖2可以看出，斷口處有明顯的白色親水顆粒存在。遇水膨脹橡膠是一種通過加入吸水樹脂、白炭黑等吸水組分而形成的高分子填充體系，其中橡膠基體呈現(xiàn)連續(xù)相，填料則為分散相［4］。雖然分散相有利于橡膠的吸水膨脹，但其性能與橡膠本體差異較大，分散到橡膠基體內(nèi)時會削弱基體強度。而任何材料的撕裂總是沿著最有利于裂縫生長的方向進行的，由于交聯(lián)后的遇水膨脹橡膠是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由于填料的混入出現(xiàn)了許多微缺陷（如圖3所示），使得橡膠產(chǎn)生了不穩(wěn)定因素，破壞也將最早沿著這些微缺陷發(fā)生。在封隔器驗封過程中，中間部位橡膠始終處于壓實狀態(tài)，而膠筒末端將會在軸向作用力下產(chǎn)生初始裂縫，并進一步生長，出現(xiàn)了不可逆的裂縫，橡膠分子鏈斷裂，彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為表面自由能以外的形式，致使膠筒末端撕裂脫離。

圖3 遇水膨脹橡膠微觀結(jié)構(gòu)

由于端環(huán)僅對脹封前的膠筒起到保護和限位作用，無法對脹封后的膠筒提供支撐，其與膠筒末端接觸位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，驗封過程中膠筒會沿端環(huán)邊緣出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。沒有端部支撐保護的膠筒不僅降低了膠筒的封壓能力，而且使得起密封作用的膠筒不斷變形撕裂，出現(xiàn)應(yīng)力松弛最終失效。因此，需要通過有限元仿真分析模擬膠筒末端受力狀態(tài)，并進行有針對性的防突結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 有限元仿真分析

遇水膨脹橡膠體積膨脹率會隨吸水量增加而不斷提高，而在不同膨脹率下橡膠又具有不同的力學(xué)性能。本文采用體積壓縮法將其膨脹后橡膠體積壓縮至規(guī)定尺寸，即可得橡膠對井壁的接觸應(yīng)力，從而得出對應(yīng)的封壓能力［9］。

2.1 模型的建立

建立封隔器以及試驗套管模型時，由于封隔器結(jié)構(gòu)的軸對稱性，故取一過軸線的剖面進行建模，如圖4所示。膠筒、端環(huán)采用軸對稱4節(jié)點超彈性單元CAX4R?？紤]到實際工況，基管和試驗套管的變形相對于膠筒來說可以忽略，假設(shè)二者均為剛體。

圖4 封隔器膠筒有限元模型

橡膠為超彈性材料，本構(gòu)模型是 Mooney－Rivlin模型，采用丁腈橡膠經(jīng)過改性制成，其在公開文獻上對應(yīng)的材料常數(shù)，需要通過單軸壓縮測試獲取材料在150%膨脹率時的材料特性，如表2。

表2 膨脹率為150%的橡膠材料常數(shù)

2.2 施加約束條件和載荷

建模完成后進行自由網(wǎng)格劃分。由于封隔器膠筒工作時，與套管存在摩擦接觸問題，與基管之間采用粘結(jié)方式固定，僅在膠筒和套管之間建立接觸模型，摩擦因數(shù)取0.2。為了保證模型的穩(wěn)定性，將外層套管和基管施加位移約束。將膨脹后的膠筒外徑壓縮至套管內(nèi)徑原始尺寸。膠筒上、下端承受一定壓差，模擬膠筒承受10MPa壓差的情況下末端的受力情況，因此在膠筒上端施加20MPa壓力，下端施加10MPa壓力。

2.3 分析計算

添加完載荷和約束后，通過求解模塊進行求解，求解結(jié)束后通過通用后處理器模塊可顯示出膠筒軸向應(yīng)力分布曲線，如圖5所示。

圖5 膠筒軸向接觸應(yīng)力曲線

根據(jù)分析結(jié)果，在兩端施加10MPa壓差作用下，膠筒與井壁的平均接觸應(yīng)力pm＝13.5MPa，滿足pm≥Δp條件，可以實現(xiàn)穩(wěn)定密封，這與試驗結(jié)果是非常相近的。

膠筒末端的應(yīng)力分布云圖如圖6所示，可以看出：膠筒末端存在一定程度的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力超過16MPa，遠遠超過了150%膨脹率下橡膠的強度（2.7MPa），膠筒有撕裂、破壞的危險，這也與試驗結(jié)果基本一致。因此，設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的防突結(jié)構(gòu)并通過有限元模擬其脹封情況是很有必要的。

圖6 膠筒末端的應(yīng)力分布云圖

3 防突結(jié)構(gòu)對脹封性能的影響及試驗分析

3.1 膠筒末端防突結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為了解決上述問題，防止膨脹后的膠筒從環(huán)空擠出，改善其末端受力狀態(tài)，設(shè)計了一種碗狀結(jié)構(gòu)的防突環(huán)，如圖7所示。封隔器端部有限元模型如圖8所示。防突能力取決于防突環(huán)脹開后與套管的接觸情況以及支撐能力［10－11］，為使其達到最佳的保護效果，通過有限元分析對防突環(huán)尺寸和材料進行優(yōu)選。

圖7 膠筒防突結(jié)構(gòu)

圖8 封隔器端部有限元模型

3.2 防突結(jié)構(gòu)尺寸對脹封性能的影響

首先選H80黃銅作為防突環(huán)材料，分析不同厚度對其防突性能的影響?？紤]0.5、1.0、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0mm 7種厚度情況下對其變形情況影響。防突環(huán)在壓差和膠筒膨脹力作用下張開，由于橡膠材料強度明顯低于防突環(huán)材料，因此防突環(huán)直徑張開位移越大，對橡膠的保護能力越強［12］。不同厚度下直徑張開位移如圖9所示。

圖9 防突環(huán)在不同厚度下的直徑張開位移

由圖9可見：隨著厚度的減小，直徑張開位移經(jīng)歷了先增大后減小的過程，并在2.5mm時達到最大值。變形后的防突環(huán)位移云圖如圖10所示，可以看出：隨著厚度的減小，防突環(huán)剛度逐漸減??；在相同載荷作用下，厚度越小，防突環(huán)變形越大；但當厚度小于2.5mm時，由于剛度過小，防突環(huán)靠近基管的部位在膠筒的擠壓下將會發(fā)生較大變形，無法產(chǎn)生較大的直徑張開位移。因此，防突環(huán)厚度取2.5 mm時，張開保護效果最佳。

圖10 不同厚度防突環(huán)在相同壓差作用下的位移云圖

3.3 防突結(jié)構(gòu)材料對脹封性能的影響

為了能夠滿足實際使用需求，防突環(huán)可隨膠筒膨脹坐封，但會發(fā)生較大的塑性變形，應(yīng)該優(yōu)先選擇延展性好、冷加工硬化敏感性低、具有一定硬度的金屬材料；同時，該材料應(yīng)該具有良好的高溫下抗酸、鹽腐蝕及耐磨損能力。為此分別選取黃銅、碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和鋁合金作為備選材料。在相同的2.5mm厚度下不同材料的直徑張開位移如表3。

由表3可見：黃銅張開位移最大，可作為首選材料，選擇屈服強度低、張開位移較大的不銹鋼為備選材料。以厚度為2.5mm的黃銅環(huán)為例，在相同的條件下模擬膠筒的脹封情況，求解結(jié)束后的膠筒軸向應(yīng)力分布曲線，如圖11所示?？梢钥闯觯耗z筒整體接觸應(yīng)力明顯提高，達到20～25MPa左右，末端并無明顯的應(yīng)力提高（圖中尖點為膠筒褶皺，未與套管接觸點），防突環(huán)的支撐作用使得橡膠不會擠出。

表3 不同材質(zhì)的防突環(huán)材料參數(shù)

圖11 膠筒軸向接觸應(yīng)力曲線

3.4 封隔器封壓性能驗證

采用H80黃銅和304不銹鋼作為防突環(huán)對現(xiàn)有封隔器端部進行改造，使之與膠筒成型硫化為一體。試驗結(jié)果顯示，SZF－114－1000型封隔器耐壓性能超過15MPa。連續(xù)驗封10d后，封壓能力穩(wěn)定在15MPa左右，如圖12所示。

圖12 帶有防突環(huán)的封隔器驗封情況對比

4 結(jié)論

1） 研究了遇水自膨脹封隔器封壓和膠筒破壞機理，結(jié)合試驗過程中出現(xiàn)的膠筒末端破壞問題，通過有限元法對膠筒與井壁、套管間接觸進行力學(xué)分析，完成對防突環(huán)材料以及結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)選，分析計算證實了優(yōu)化方案能夠明顯提高膠筒與井壁的接觸應(yīng)力，改善末端受力狀況。

2） 通過加入碗狀防突保護結(jié)構(gòu)，模擬不同材料、規(guī)格尺寸的防突環(huán)膨脹位移效果，評判其對膠筒的支撐能力，優(yōu)選2.5mm的H80黃銅制作114.3 mm（4英寸）遇水自膨脹封隔器的防突環(huán)，試驗效果證實有效提升了膠筒的封壓能力。

3） 有限元優(yōu)化結(jié)果表明：防突結(jié)構(gòu)存在一種最優(yōu)的材料和厚度，能夠使其起到最佳的防突效果。但由于有限元分析建立在許多假設(shè)情況的基礎(chǔ)上，并無法給出最精確的厚度；同時，分析結(jié)果還會受到摩擦因數(shù)、橡膠性能、基管和橡膠粘結(jié)強度等諸多參數(shù)影響。

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