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摘要：青海油田井采油一厂注水井用封隔器的关键部件为弹性密封元件（胶筒），其结构影响到封隔器的密封性能。由于传统的封隔器结构为三胶筒，结构复杂，对胶筒结构进行改进，在不改变胶筒数量的基础上，增加了1层紫铜包络层。采用非线性有限元分析方法，对传统胶筒结构和改进型胶筒结构的对比分析发现：改进型结构上胶筒起主要密封作用，解决了封隔器在座封时胶皮上翻的现象，接触应力比传统胶筒结构有明显提高，验证了改进型结构的可行性。
封隔器胶筒是通过轴向压缩力紧贴在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制约使用性能。胶筒与套管接触所产生的接触应力是胶筒承受工作压差的必要条件。胶筒的形状优化设计影响着其密封性能，是设计者密切关注的问题。不少学者已经对其实物的力学试验、有限元数值模拟、封隔器与管柱之间的力学关系等进行了大量研究，对封隔器的结构优化以及接触应力的分布关系得出了初步的结论。研究接触应力与胶筒外形及结构参数之间的关系，对理论上认清胶筒的密封机理和胶筒密封的可靠性具有重要意义。
关键词：封隔器 胶筒 结构 改进及优势分析
1 有限元模型的建立
常用的封隔器上串有3个胶筒，分为上、中、下3个胶筒结构尺寸相同和上下胶筒为长胶筒、中胶筒为短胶筒2种结构形式。通过对传统三胶筒结构的研究发现，起主要密封作用的是上胶筒，解决封隔器在座封时胶皮上翻的现象，笔者对传统三胶筒结构进行改造，现对胶筒结构进行改进，在上胶筒上方和下胶桶下方各增加了1层紫铜包络层，由于封隔器的本体和胶筒为柱和筒结构形式，利用轴对称条件对其简化，胶筒的结构和有限元网格划分如图1所示。上、中、下3个胶筒长度均为50mm，橡胶材料，外层包络1层紫铜，紫铜厚度为2mm，胶筒采用50°倾角，直边长8mm，斜边长11mm，直边与斜边比为0.73。
封隔器在进行有限元分析时，有3种不同性能的材料：胶筒为橡胶材料，属高度非线性复合材料；外包络紫铜；隔环、中心管、套管为金属材料。胶筒需要用单轴拉伸、等双轴拉伸、剪切试验得到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲线拟合，进而选择合适的超弹性材料模型。本文采用超弹性材料模型———Mooney Rivlin模型计算，根据经验公式确定模型参数：
超弹性材料Mooney Rivlin常数C10=1.87，C01=0.47；密度为1 500kg/m3。Abaqus中默认超弹性材料不可压缩，默认泊松比为0.475。紫铜材料密度为7830kg/m3，弹性模量1.19×105 MPa，泊松比0.36。金属材料密度7 850kg/m3，弹性模量2.06×105 MPa，泊松比0.3。
胶筒采用4节点CAX4RH 单元划分网格，中心管、套管和隔环采用CAX4R划分网格。考虑接触时的摩擦因数，橡胶自接触以及橡胶与隔环、橡胶与套管之间的接触摩擦因数取为0.3，隔环与中心套管之间的摩擦因数定为0.1。约束条件：模型最下面隔环、中心管下端、套管下端节点施加竖直方向的约束；套管外层施加水平方向的约束。
施加载荷：最上面刚性隔环上施加坐封力，为均布压力作用。
2 有限元软件模拟及结果分析
橡胶属于高度非线性复合材料，在连续介质力学中将橡胶材料称作超弹性材料，因此用非线性有
限元分析软件Abaqus进行非线性分析[16]；计算时取工作压力为5、10、15、20、25、30MPa，采用逐步加载的方式进行迭代计算[17]。胶筒变形及Von Mises应力云图如图2～3所示。
由分析结果可知：随着轴向载荷增大，轴向压缩量也增大，开始时压缩量增大较明显，随后压缩量增大变缓，胶筒变形趋于稳定；随着坐封力的增大，胶筒与套管接触长度逐渐增加。胶筒外表柱面部分径向变形受限制，胶筒内表面变形如外表一样向外鼓，当载荷增加时胶筒被压扁并在最后压实。但由于结构限制，只有上胶筒能够被压实。在工作压力为30MPa时，上胶筒基本完全压实，胶筒上端出现轻微肩突，但未发生胶筒割裂现象，肩突在允许范围之内。
由图2～3可知：工作压力为30MPa时，上胶筒最大接触应力为25.5MPa，下胶筒最大接触应力为5.4MPa，上胶筒的接触应力为下胶筒的4倍多，因此上胶筒起主要坐封作用。
3 改进型封隔器较常规封隔器的优势分析
3.1 结构
改进型封隔器与常规封隔器在结构模型上的区别在于：改进型封隔器为上、下2个胶筒，且橡胶外面包络1层厚2mm的紫铜。两胶筒较之于三胶筒一方面节省了材料，另一方面因为上下胶筒为同结构胶筒，而减少了制造工艺，同时也使封隔器结构简单，装配简化。
3.2 密封性能
封隔器密封性能的好坏，关键在于胶筒与套管内径之间接触应力的大小。在同样的坐封力下，接触应力越大，密封性能越好。施加工作压力5～30MPa时，分别对两者接触应力进行比较，如图4所示。
通过比较发现：在轴向距离较小时，常规胶筒的接触应力略大于改进型胶筒，这是因为紫铜材料的硬度大于橡胶；当轴向距离增大，紫铜随着橡胶被压缩直到被压实紧贴在套管内壁，接触应力就远大于常规胶筒，密封性能也就更好。
改进型封隔器工作压力为25MPa时，上胶筒的最大接触应力超过20MPa，而常规的封隔器在相同的条件下，接触应力≤14 MPa；工作压力为30MPa时，常规封隔器只有18MPa的接触应力，而改进型封隔器的接触应力可以达到25MPa，因此改进型封隔器有一定的可行性。
3.3 不等长双胶筒封隔器的设计分析对于改进型的双胶筒的封隔器，当3个胶筒不等长，上胶筒采用原设计长度50mm，中胶筒采用30mm，下胶筒采用60mm。施加工作压力5、10、15、16MPa时，胶筒应力云图如图5所示。由图5可知：所设计的这种封隔器最多只能承受16MPa的轴向力，没有等长度胶筒所承受的力大，但却比其压缩得好。在10MPa的轴向力下，上胶筒已经完全压实，到15MPa时，下胶筒基本已经压实。
4 结论
1）上胶筒与套管壁接触应力为下胶筒的4～5倍，起主要密封作用。
2）上、中、下胶筒不等长的双胶筒结构，最大只能承受约16MPa的工作压力，但是其接触应力较等长结构大，因此工作压力≤16MPa时，采用不等长结构密封效果更好。
3）通过比较发现，改进型结构上胶筒起主要密封作用，接触应力比传统胶筒结构有明显提高，解决了封隔器在座封时胶皮上翻的现象，验证了改进型结构的可行性。
参考文献：
【1】董文魁，尚水龙，唐凡，等新型Y341型封隔器的研制与应用[J]石油矿场机械，2012，41（5）：74-76.
【2】周先军，平利，季公明封隔器胶筒接触应力分布有限元计算[J]钻采工艺，2002，25（4）：51-52.
【3】Rune Freyer，Arve Huse.Swelling Packer for Zonal I-solation in Open Hole Screen Completions[G].SPE，78312，2002：29-31
【4】练章华，乐彬，宋周成，等.封隔器坐封过程有限元模拟分析[J].石油机械，2007，35（9）：19-21，41.
【5】Eslinger D M，Kohli H S.Design and Testing of aHigh-Performance Inflatable Packer.SPE 3748，1997：9-11.
作者简介：桑登河，男，采油工程师。1988年毕业于重庆石油学校钻井专业，现青海油田采油一厂安全监督站从事井下作业技术监督。
封隔器胶筒是通过轴向压缩力紧贴在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制约使用性能。胶筒与套管接触所产生的接触应力是胶筒承受工作压差的必要条件。胶筒的形状优化设计影响着其密封性能，是设计者密切关注的问题。不少学者已经对其实物的力学试验、有限元数值模拟、封隔器与管柱之间的力学关系等进行了大量研究，对封隔器的结构优化以及接触应力的分布关系得出了初步的结论。研究接触应力与胶筒外形及结构参数之间的关系，对理论上认清胶筒的密封机理和胶筒密封的可靠性具有重要意义。
关键词：封隔器 胶筒 结构 改进及优势分析
1 有限元模型的建立
常用的封隔器上串有3个胶筒，分为上、中、下3个胶筒结构尺寸相同和上下胶筒为长胶筒、中胶筒为短胶筒2种结构形式。通过对传统三胶筒结构的研究发现，起主要密封作用的是上胶筒，解决封隔器在座封时胶皮上翻的现象，笔者对传统三胶筒结构进行改造，现对胶筒结构进行改进，在上胶筒上方和下胶桶下方各增加了1层紫铜包络层，由于封隔器的本体和胶筒为柱和筒结构形式，利用轴对称条件对其简化，胶筒的结构和有限元网格划分如图1所示。上、中、下3个胶筒长度均为50mm，橡胶材料，外层包络1层紫铜，紫铜厚度为2mm，胶筒采用50°倾角，直边长8mm，斜边长11mm，直边与斜边比为0.73。
封隔器在进行有限元分析时，有3种不同性能的材料：胶筒为橡胶材料，属高度非线性复合材料；外包络紫铜；隔环、中心管、套管为金属材料。胶筒需要用单轴拉伸、等双轴拉伸、剪切试验得到的橡胶材料试验数据进行超弹性材料曲线拟合，进而选择合适的超弹性材料模型。本文采用超弹性材料模型———Mooney Rivlin模型计算，根据经验公式确定模型参数：
超弹性材料Mooney Rivlin常数C10=1.87，C01=0.47；密度为1 500kg/m3。Abaqus中默认超弹性材料不可压缩，默认泊松比为0.475。紫铜材料密度为7830kg/m3，弹性模量1.19×105 MPa，泊松比0.36。金属材料密度7 850kg/m3，弹性模量2.06×105 MPa，泊松比0.3。
胶筒采用4节点CAX4RH 单元划分网格，中心管、套管和隔环采用CAX4R划分网格。考虑接触时的摩擦因数，橡胶自接触以及橡胶与隔环、橡胶与套管之间的接触摩擦因数取为0.3，隔环与中心套管之间的摩擦因数定为0.1。约束条件：模型最下面隔环、中心管下端、套管下端节点施加竖直方向的约束；套管外层施加水平方向的约束。
施加载荷：最上面刚性隔环上施加坐封力，为均布压力作用。
2 有限元软件模拟及结果分析
橡胶属于高度非线性复合材料，在连续介质力学中将橡胶材料称作超弹性材料，因此用非线性有
限元分析软件Abaqus进行非线性分析[16]；计算时取工作压力为5、10、15、20、25、30MPa，采用逐步加载的方式进行迭代计算[17]。胶筒变形及Von Mises应力云图如图2～3所示。
由分析结果可知：随着轴向载荷增大，轴向压缩量也增大，开始时压缩量增大较明显，随后压缩量增大变缓，胶筒变形趋于稳定；随着坐封力的增大，胶筒与套管接触长度逐渐增加。胶筒外表柱面部分径向变形受限制，胶筒内表面变形如外表一样向外鼓，当载荷增加时胶筒被压扁并在最后压实。但由于结构限制，只有上胶筒能够被压实。在工作压力为30MPa时，上胶筒基本完全压实，胶筒上端出现轻微肩突，但未发生胶筒割裂现象，肩突在允许范围之内。
由图2～3可知：工作压力为30MPa时，上胶筒最大接触应力为25.5MPa，下胶筒最大接触应力为5.4MPa，上胶筒的接触应力为下胶筒的4倍多，因此上胶筒起主要坐封作用。
3 改进型封隔器较常规封隔器的优势分析
3.1 结构
改进型封隔器与常规封隔器在结构模型上的区别在于：改进型封隔器为上、下2个胶筒，且橡胶外面包络1层厚2mm的紫铜。两胶筒较之于三胶筒一方面节省了材料，另一方面因为上下胶筒为同结构胶筒，而减少了制造工艺，同时也使封隔器结构简单，装配简化。
3.2 密封性能
封隔器密封性能的好坏，关键在于胶筒与套管内径之间接触应力的大小。在同样的坐封力下，接触应力越大，密封性能越好。施加工作压力5～30MPa时，分别对两者接触应力进行比较，如图4所示。
通过比较发现：在轴向距离较小时，常规胶筒的接触应力略大于改进型胶筒，这是因为紫铜材料的硬度大于橡胶；当轴向距离增大，紫铜随着橡胶被压缩直到被压实紧贴在套管内壁，接触应力就远大于常规胶筒，密封性能也就更好。
改进型封隔器工作压力为25MPa时，上胶筒的最大接触应力超过20MPa，而常规的封隔器在相同的条件下，接触应力≤14 MPa；工作压力为30MPa时，常规封隔器只有18MPa的接触应力，而改进型封隔器的接触应力可以达到25MPa，因此改进型封隔器有一定的可行性。
3.3 不等长双胶筒封隔器的设计分析对于改进型的双胶筒的封隔器，当3个胶筒不等长，上胶筒采用原设计长度50mm，中胶筒采用30mm，下胶筒采用60mm。施加工作压力5、10、15、16MPa时，胶筒应力云图如图5所示。由图5可知：所设计的这种封隔器最多只能承受16MPa的轴向力，没有等长度胶筒所承受的力大，但却比其压缩得好。在10MPa的轴向力下，上胶筒已经完全压实，到15MPa时，下胶筒基本已经压实。
4 结论
1）上胶筒与套管壁接触应力为下胶筒的4～5倍，起主要密封作用。
2）上、中、下胶筒不等长的双胶筒结构，最大只能承受约16MPa的工作压力，但是其接触应力较等长结构大，因此工作压力≤16MPa时，采用不等长结构密封效果更好。
3）通过比较发现，改进型结构上胶筒起主要密封作用，接触应力比传统胶筒结构有明显提高，解决了封隔器在座封时胶皮上翻的现象，验证了改进型结构的可行性。
参考文献：
【1】董文魁，尚水龙，唐凡，等新型Y341型封隔器的研制与应用[J]石油矿场机械，2012，41（5）：74-76.
【2】周先军，平利，季公明封隔器胶筒接触应力分布有限元计算[J]钻采工艺，2002，25（4）：51-52.
【3】Rune Freyer，Arve Huse.Swelling Packer for Zonal I-solation in Open Hole Screen Completions[G].SPE，78312，2002：29-31
【4】练章华，乐彬，宋周成，等.封隔器坐封过程有限元模拟分析[J].石油机械，2007，35（9）：19-21，41.
【5】Eslinger D M，Kohli H S.Design and Testing of aHigh-Performance Inflatable Packer.SPE 3748，1997：9-11.
作者简介：桑登河，男，采油工程师。1988年毕业于重庆石油学校钻井专业，现青海油田采油一厂安全监督站从事井下作业技术监督。