压缩式封隔器胶筒系统性能测试

张 毅

（南充职业技术学院机电系，四川 南充 637000）

压缩式封隔器胶筒系统性能测试

张 毅

（南充职业技术学院机电系，四川 南充 637000）

胶筒系统是压缩式封隔器的关键部件，在封隔器胶筒系统座封时，其力学性能对密封性具有决定性作用。对此，必须将胶筒系统各胶筒、隔环和套管等零部件整体考虑，按封隔器的工作原理设计测试装置，模拟胶筒系统在井下的工作状况，研究胶筒系统的性能和失效的因素。试验表明:轴向压缩过量，超过材料的弹性模量会导致失效；结构突变引起胶筒应力集中易产生失效；温度过高，橡胶分子链断裂，过热氧化老化必然会失效；微动磨损；减压破坏等工艺过程也会引起失效，因此，只有优化胶筒系统的结构，才能有效地达到密封效果和防止胶筒失效，才能保障各种井下工艺措施的顺利进行，对实现油气田合理开采，保障正常生产与安全运行意义重大。

封隔器；胶筒系统；变形

0 前 言

封隔器是分层开采中的重要工具，其结构与性能决定使用效果和成本，基本要求是下的去、封得严、能耐久。即座封或解封动作要简单，能间接控制、张开方便、收缩容易、动作准确，密封可靠、耐高温与高压、不怕油与水侵蚀，体积小、结构简单的特点，在设计、制造和测试封隔器时有连续密封的时间和适宜的作业种类要求［1］。

1 应变测试原理

在实际工程中，我们需要研究构件在不同荷载、温度等条件下，胶筒内外部应力和变形的分布情况，尤其需要确定危险部位的最大应力和变形，而前面我们提到应力不能直接得到，必须通过在材料弹性范围内测定其应变，然后由广义虎克定律来求出应力［2］。

将应变片（花）粘结在被测构件的表面，主要用于测量平面应力状态下一点的主应变和主方向。当金属丝随构件一起变形时，其电阻值也随之变化。半导体应变片灵敏度高，输出大，横向效应小。

在进行电阻应变测试时，我们通常是将电桥的输出端与放大器相连，来构成电桥的负载。由于直流放大器输入级阻抗很高，与桥臂阻抗相比，其负载阻抗可视为无穷大，所以目前广泛采用直流放大器。

典型的电桥如图1所示。

图 1 直流应变电桥

当U0=0时，电桥处于平衡状态，R1R4=R2R3，或如4个桥臂都是应变片，

如图2所示，隔环的应变是由胶筒的挤压产生的，胶筒与隔环的接触面与水平方向成45 （o），隔环所受的力可分为轴向力P1和径向力P2，P1、P2分别作用下隔环产生轴向变形和环向变形。

图 2 隔环受力示意图

在隔环圆周上选取两个相互对称的位置，分别贴一片90 （o）的应变花，其中一片沿隔环的圆周贴，测试隔环的环向应变；另一片应变片沿隔环的轴向，测试隔环的轴向应变［3］。

压缩式封隔器胶筒的变形有自由变形和约束变形两个阶段，胶筒是大变形、非线形材料，在加载过程中，在自由变形阶段的应力，胶筒外壁未和套管内壁接触，胶筒只在轴向机械力作用下发生变形，在此阶段中应力应变呈线性关系。在约束变形阶段，胶筒除了受到轴向载荷的作用，还受套管内壁和封隔器中心管对胶筒约束产生的接触分布载荷和摩擦力的作用，胶筒的轴向和径向变形是非均匀的，套管内壁与胶筒之间的挤压力和摩擦力沿轴向均不同，由于胶筒材料为丁腈橡胶，在压缩载荷作用下胶筒的体积变化，其应力分布状况发生变化［3-4］。

假设胶筒在挤压力P1的作用下，对套管内壁作用区域内任意一点的压力为Pi，则摩擦力为fi。由于加载时各胶筒轴向的滑移不同，胶筒的变形规律将由于胶筒的排序位置而存在显著差异，由于有摩擦阻力的存在，每个胶筒受到的挤压力是不同的，即：P1＞P2。

套管受到内压和摩擦力的作用，因此在环向和轴向会产生变形。内压作用下套管中的应力见图3。

图3 内压作用下套管中的应力

单元体上分别作用有主应力σ1及σ2，σ1为由套管内压产生的环向应力，σ2由摩擦力产生的轴向应力。

单元体在σ1方向的应变包括两部分：

由于σ1、σ2作用而分别引起的环向伸长：

则在σ1方向的总应变为：

同样可导出单元体σ2方向的总应变为：

因此，只须测得ε1、ε2，即可求出σ1、σ2。

薄壁圆管与厚壁圆管的划分一般以K=D0/Di=1.2为界，D0和Di分别为圆管外径和内径。当K≤1.2时为薄壁圆管，K＞1.2时为厚壁圆管。

如图3所示，在内压P的作用下，套管在纵截面上将产生沿着圆周的切线（θ方向）的环向应力σ1。对于薄壁圆筒的应力分布，设应力沿壁厚均匀分布，内压作用下套管的环向应力为：

式中 P——内压力，MPa；

D——平均直径，D=（D0+Di）/2，mm；

t——壁厚，mm。

从此可知，通过应变测试σ1，再求套管所受的压力。

2 测试结果和分析

通过分析封隔器以丁腈橡胶材料为基体的胶筒在不同温度下的应力—应变曲线发现，随着温度的升高，胶筒软化，材料的刚度均呈近似的线性特性，温度在65 ℃处存在性能逆转点，可能是氢键键力改变，或填充橡胶内部的炭黑团簇结构与橡胶的相互作用发生变化等引起的，或者由于炭黑填充，材料近似乎均匀，而炭黑颗粒有较强的吸附作用，形成大量团簇，使软硬相分布不均匀，影响其性能［4］。

通过对材料应力—应变曲线（应变能密度）

式中的σ、ε 符号含义同前。

图4自上而下为封隔器橡胶在25，35，45，65，55，75 ℃不同环境温度下的加卸载应力应变曲线。

图4 不同温度下的加卸载曲线

迟滞损耗：H =ΔW·WSED

式中 H——迟滞损耗；

ΔW——在加卸载过程中橡胶的能量（密度）损耗；

WSED ——加载过程中橡胶应变能（密度）。

因橡胶是粘弹性材料，在加卸载过程中存在较为明显的迟滞损耗，每一条加卸载曲线均包络一定面积，反映出加卸载过程中因内摩擦和细微损伤等机制导致的能量损失，迟滞损耗随温度升高呈线性下降趋势［3］。

3 密封元件失效的内因

胶筒在轴向压缩载荷作用下，其工作面完全和套管壁相接触，轴向压缩量达到或超过最大值，约束变形最大，密封件和套管内壁凸峰接触，在振动中持续承受剪切作用，胶筒凸绝产生裂纹，出现破损，胶料脱落，密封失效［5］。

丁腈交联橡胶密封件的溶胀是动态平衡，石油中的溶剂分子渗入橡胶内使体积溶胀，但分子网受到应力作用产生弹性收缩，反复作用橡胶弹性模量下降，尽管压缩应力不变，但密封性能下降。

经高温作用，丁腈橡胶的氧化和老化程度加剧，强度明显下降，其密封随温度的升高加速老化和失效。套管受损伤后，起下封隔器可能使胶筒与套管损伤部位刮碰，出现脱落。气体因高压在密封件中的溶解度大，但压力骤降后，气体逸出，密封件爆破而失效［4］。

采用压缩自封结构有肩部保护装置和合理的压缩距，其密封性好，耐压高，可有效地降低封隔器密封件的应力集中，提高和改善胶筒的承压能力，达到有效的密封。

4 结 语

胶筒系统的弹性密封元件决定着封隔器工作的成败，井下工艺方式的变化导致压力、温度等参数的变化，从而影响封隔器胶筒系统的伸长或缩短，必须优化胶筒系统结构，研究导致封隔器胶筒过早解封、错封或漏窜等失效的原因，可有效地保证封隔器的使用效果和寿命。

［1］ 李高升.封隔器卡瓦的强度分析［D］.北京：中国石油大学，2006.

［2］ 杨亮.封隔器胶筒系统性能测试试验台及数据采集系统的设计［D］.西南石油大学，2007.

［3］ 李炜，张劲，张士诚.封隔器超弹性胶筒力学性能的试验研究［J］.机械工程学报.2011，47（8）： 71-76.

［4］ 李旭，窦益华.压缩式封隔器胶筒变形阶段力学分析［J］.石油矿场机械. 2007，36（10）：17-19.

［5］ 刘玉文，陈健，田播源.压缩式封隔器胶筒失效因素分析及措施［J］.科技资讯，2010，（31）：80-82.

The Com pression Type Packer Rubber Tube System Performance Test

ZHANG Yi
（Department of Mechanical and Electrical Engineering Nanchong Professional Technic College，Nanchong，Sichuan 637000，China）

The rubber tube system is a key component of compression packer， the packer rubber sealing system，its mechanical performance， have a decisive role on the effective mechanical seal. In the theoretical study must be considered the rubber tube， rubber tube spacer ring and sleeve parts of the whole， according to the principle of design of testing apparatus for sealing packer， working condition of the oil and gas wells under simulated system performance of rubber tube， rubber tube system and the failure factors. The results show that: the axial compression excess， more than the elastic modulus of the material， w ill result in failure； structural mutations cause rubber cylinder stress concentration， prone to failure； the temperature is too high， the rubber molecular chains break， heat oxidation，aging is bound to fail； fretting wear； decompression failure process can also cause failure， therefore， only the structure optimization the rubber tube system， can effectively achieve the effect of sealing， prevent glue tube failure， in order to protect various downhole process smoothly， to realize the reasonable exploitation of oil and gas felds， to guarantee the normal production and safe operation， meaning great.

Packer；Packer system；Deform ing

F249.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.047

2016-08-08

张毅（1973-），男，四川南充人，讲师，研究方向：机械制造，手机：13980308007，E-mail：nzyzhangyi@163.com.