壓縮式封隔器膠筒耐溫耐壓淺析

1、壓縮式封隔器膠筒耐溫耐壓淺析作者：陳愛(ài)平 發(fā)布人：xilu222 發(fā)布時(shí)間：2006-4-26 下午 01:35:15 瀏覽次數(shù)：888 【關(guān)鍵詞】封隔器,膠筒,耐溫性能,耐壓性能【摘要】隨著井深的增加，以往的封隔器膠筒已遠(yuǎn)不能滿足深井和超深井酸化、壓裂和堵水等施工工藝的需要。根據(jù)膠筒的設(shè)計(jì)原理、受力狀態(tài)及力學(xué)特征，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了影響壓縮式膠筒工作性能的最重要的兩個(gè)指標(biāo)工作溫度和工作壓差，指出膠筒的耐溫性能與材質(zhì)密切相關(guān)，可根據(jù)使用工況和工作溫度來(lái)選用不同的橡膠；膠筒的耐壓性能除受材質(zhì)本身的影響外，還受膠筒結(jié)構(gòu)尺寸、膠筒座外徑和肩保等的影響。建議采用擴(kuò)大膠筒座和膠筒外徑及加肩保的方

2、法來(lái)提高膠筒的耐壓性能。瀏覽字體設(shè)置：-10pt+10pt12pt14pt16pt 隨著井深的增加，原有封隔器膠筒已遠(yuǎn)不能滿足深井和超深井酸化、壓裂和堵水等施工工藝的需要。筆者就膠筒設(shè)計(jì)原理、受力狀態(tài)及力學(xué)特征，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)膠筒最重要的兩個(gè)指標(biāo)工作溫度和工作壓差進(jìn)行了初步的分析，以尋求提高封隔器膠筒耐溫和耐壓性能的有效途徑。壓縮式膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)1.膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定目前國(guó)內(nèi)外所用壓縮式膠筒均為柱狀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑、內(nèi)徑和高度。假設(shè)膠筒壓縮前后體積不變可得(r22-r21)h=(r23-r21)(h-h)(1)式中r1膠筒內(nèi)半徑,cm;r2膠筒外半徑,cm;r3套管內(nèi)

3、半徑,cm;h膠筒自由高度,cm;h壓縮距,cm。兩端除以h整理后得r22-r21=(r23- r21)(1-h/h)(2)膠筒的線應(yīng)變=h/h(3)將式（3）代入式（2）得r22-r21=(r23-r21)(1-)(4)橡膠的允許應(yīng)變應(yīng)小于0.3，一般取0.25。式(4)中，套管內(nèi)半徑r3為確定值，膠筒外半徑r2可根據(jù)封隔器允許最大外徑確定，內(nèi)半徑r1可根據(jù)中心管允許最小外徑確定，則可計(jì)算出，而=(h-h0)/h(h0為膠筒工作狀態(tài)下的高度,可通過(guò)受力分析計(jì)算得出),根據(jù)h0，就可計(jì)算出膠筒的自由高度h。2.膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耐壓性能的影響常用膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，線應(yīng)變?yōu)?.47

4、的封隔器膠筒，其耐壓指標(biāo)很難提高（雖然不是膠筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但它是膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的綜合反映）。而148mm膠筒，在內(nèi)徑為157mm套管中比在內(nèi)徑為161mm套管中耐壓差性能好。實(shí)踐證明，越小越好。在一定套管內(nèi)，這就要求增大膠筒外徑或減小膠筒內(nèi)徑，而這兩項(xiàng)指標(biāo)受封隔器尺寸限制，不便改動(dòng)。但對(duì)于耐溫、耐高壓的特種封隔器，其外徑應(yīng)靈活掌握。如對(duì)于內(nèi)徑124mm的139.7mm套管，7m長(zhǎng)的電泵電動(dòng)機(jī)外徑可達(dá)116mm，30多米長(zhǎng)的機(jī)組軸向投影尺寸達(dá)120mm，都能順利安全起下，那么對(duì)于12m長(zhǎng)的封隔器外徑為什么不能提高到116118mm呢？如果這樣，可降為0.170.21，其耐壓指標(biāo)則可上一個(gè)等級(jí)。表1

5、常用膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)套管內(nèi)徑(mm)膠筒外徑(mm)膠筒內(nèi)徑(mm)膠筒線應(yīng)變161/1571481010.26/0.19124113730.26108.699620.2512499600.47膠筒的耐溫性能膠筒的工作溫度主要受膠料及硫化體系的影響。目前橡膠硫化一般采用無(wú)硫硫化體系，有利于提高其耐溫性能。下面就不同膠料的膠筒耐溫性能做簡(jiǎn)要闡述。1.丁腈橡膠壓縮式封隔器膠筒采用丁腈橡膠較好。這是因?yàn)槎‰嫦鹉z不僅具有較高的耐溫性能、良好的耐油性、較高的抗張強(qiáng)度和較好的彈性，而且易于成型和價(jià)格低廉。未加補(bǔ)強(qiáng)填充劑丁腈橡膠的抗張強(qiáng)度為34.5mpa，而加補(bǔ)強(qiáng)填充劑后抗張強(qiáng)度增大到2530mpa。與天然橡膠

6、和丁苯橡膠相比，丁腈橡膠耐熱性較好，其制品一般能在120下連續(xù)使用，在熱油中也能耐溫150。上海橡膠制品研究所新近研制的701型膠筒（廠家強(qiáng)調(diào)這種膠筒只能短時(shí)間使用），在150下基本上能耐壓35mpa，但終因受結(jié)構(gòu)的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開(kāi)，使鏈狀結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致膠筒失效。2.氟橡膠氟橡膠具有較好的耐溫、耐熱和抗老化性能，但強(qiáng)力性能和硬度均隨溫度的升高而明顯降低，其中抗張強(qiáng)度的變化特點(diǎn)是：在150以下，抗張強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速降低；在150260之間，則隨溫度的升高而下降較慢,見(jiàn)表2。表2氟橡膠在不同溫度下的性能變化1性能溫度()24150260抗張強(qiáng)度(mpa)17.23.

7、52.1伸長(zhǎng)率(%)33012080硬度（邵爾a）756563顯然，對(duì)于耐溫要求小于或等于150的膠筒，氟橡膠并不合適，其可塑性差，難以加工成型，且價(jià)格比丁腈橡膠貴。有人曾用氟橡膠制作膠筒，未獲成功。3.氫化丁腈橡膠2氫化丁腈橡膠是國(guó)外80年代中期開(kāi)發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠,具有以下性能特點(diǎn)。(1)耐油和耐熱性能好。由于對(duì)熱敏感的雙鍵部分被消除，因而耐熱性明顯提高，加之保留了氰側(cè)基（-cn），仍具有丁腈橡膠的耐油性能；(2)強(qiáng)伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氫化丁腈橡膠的抗張強(qiáng)度達(dá)30mpa以上，有特別要求的，可達(dá)60mpa；(3)耐壓性和耐寒性優(yōu)于丁腈橡膠，而其加工性與丁腈橡膠相似。4

8、.氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠性能對(duì)比氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠的性能對(duì)比見(jiàn)表3。 表3丁腈橡膠與氫化丁腈橡膠性能對(duì)比性能中膠筒端膠筒丁腈氫化丁腈丁腈氫化丁腈抗張強(qiáng)度(mpa)162711.626.7伸長(zhǎng)率(%)300280175210硬度(邵爾a)78789086永久變形(%)2.5217.518從耐溫性及抗張強(qiáng)度考慮,氫化丁腈橡膠有著廣闊的發(fā)展前景,但存在永久變形大和價(jià)格較貴等問(wèn)題。 影響膠筒耐壓性能的主要因素處于工作狀態(tài)的膠筒軸向受力狀態(tài)如圖1所示，其受力平衡方程為fm+ft=p(r23-r22)(5)ft=2h0r2t(6)fm=fsprw=f2h0r3prw(7)式中fm膠筒與套管間的摩擦力，

9、n；ft膠筒的抗剪切力，n；p膠筒承受的工作壓差，kpa；t橡膠所受剪應(yīng)力，kpa；f膠筒與套管之間的靜摩擦系數(shù)；prw膠筒與套管間的接觸應(yīng)力，kpa；h0膠筒工作狀態(tài)下的長(zhǎng)度，cm。圖1膠筒受力狀況將式(6)、(7)代入式(5)可得(8)1.膠筒外半徑r2若膠筒外半徑r2增大，則壓差p增大。顯然，膠筒和封隔器外徑受套管內(nèi)徑限制不可能隨意增加，因此采用肩保是一條捷徑。江458活動(dòng)式肩保具有許多優(yōu)點(diǎn)，但因其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用范圍受到一定限制。對(duì)加保護(hù)銅碗和不加保護(hù)銅碗的兩種膠筒進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測(cè)量其耐壓差的大小，結(jié)果見(jiàn)表4。表4膠筒疲勞試驗(yàn)情況(試驗(yàn)介質(zhì)為柴油)膠筒材質(zhì)膠筒外徑(mm)試驗(yàn)溫度()試

10、驗(yàn)壓力(mpa)循環(huán)次數(shù)壓縮距(mm)試驗(yàn)結(jié)果氫化丁壓50mpa穩(wěn)壓4h，上壓50mpa降為29mpa，膠筒碎氫化丁功（加保護(hù)銅碗）丁壓加至50mpa降為30mpa，起出端膠筒壞丁腈11415035458成功（殘變稍大）丁腈11413040455下壓40mpa能穩(wěn)住，上壓穩(wěn)不住，下膠筒壞丁腈11413040460加保護(hù)銅碗，合格（殘變6%）丁腈11415050264加保護(hù)銅碗，合格（殘變3.5%）采用銅碗對(duì)提高膠筒耐壓指標(biāo)有明顯作用。其機(jī)理為：裝一片厚2mm銅碗，膠筒坐封加壓后翻卷，相當(dāng)于將膠筒座外徑增加4mm，即減

11、小密封間隙4mm，其耐壓差指標(biāo)必然提高。銅碗安裝方便，起下無(wú)阻礙，壓縮式封隔器膠筒均能采用。2.膠筒所受剪應(yīng)力膠筒的剪應(yīng)力t，如果用膠筒允許剪應(yīng)力t代替，則p為最大耐壓差值。而t=橡膠抗張強(qiáng)度/4?？梢?jiàn)，膠筒的剪應(yīng)力t取決于橡膠的抗張強(qiáng)度，這與膠料的性能有關(guān)。從表3中可以看出，氫化丁腈橡膠的抗張強(qiáng)度比丁腈橡膠高，但膠料的抗張強(qiáng)度因受工業(yè)生產(chǎn)水平的限制，欲再提高抗張強(qiáng)度難度較大。3.膠筒與套管間的接觸應(yīng)力對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)已確定的膠筒，其能承受壓差的多少取決于接觸應(yīng)力prw。工作膠筒一般處于穩(wěn)定變形階段，其接觸應(yīng)力prw由兩部分組成prw=pr+pr1(9)式中pr膠筒受機(jī)械軸向力坐封產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，

12、kpa；pr1膠筒受液壓壓差作用產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，kpa。(10)(11)式中膠筒的泊松比；t膠筒坐封時(shí)承受的軸向力，n；e膠筒的彈性模量，kpa；pz膠筒承受壓差時(shí)高壓端壓力，kpa。將式(10)、(11)代入式(9)可得(12)式(12)中、r1、r2、r3對(duì)于參數(shù)確定的膠筒來(lái)說(shuō)是常量，而在膠筒整個(gè)受力變形過(guò)程中，隨膠筒的線應(yīng)變而變化，當(dāng)膠筒的壓縮距一定，也就確定了，其變化范圍為0.400.49,則式(12)可再簡(jiǎn)化為prw=apz+bt-ce其中(1)apz為由工作壓差產(chǎn)生的應(yīng)力。要使膠筒不泄漏，則要求prwpz。也就是說(shuō)，如果膠筒工作壓差越大，則需要bt-ce補(bǔ)償?shù)膽?yīng)力越大，那么就需要更

13、大的坐封力t，這不僅會(huì)使膠筒的肩突更嚴(yán)重，還會(huì)降低其使用壽命，甚至損壞。(2)bt-ce為軸向坐封力產(chǎn)生的應(yīng)力。 此應(yīng)力隨坐封力增加而增加，并隨橡膠的彈性模量增加而減小，這是因?yàn)橄鹉z越硬，需克服其本身的彈性而消耗的功越多。式(12)是在忽略膠筒與套管間摩擦力的情況下推導(dǎo)出來(lái)的，prw在整個(gè)膠筒工作長(zhǎng)度h0范圍內(nèi)無(wú)變化。實(shí)際上，膠筒與套管間的摩擦力是存在的，其實(shí)測(cè)應(yīng)力pr如圖2所示（膠筒只承受軸向力t，沒(méi)有工作壓差作用）?？芍z筒從哪端壓縮，哪端接觸應(yīng)力就大，其耐壓差能力就強(qiáng)。 圖2實(shí)測(cè)膠筒應(yīng)力分布曲線(壓縮距為70mm)用上海701型膠筒做試驗(yàn)，加下壓13.3mpa坐封，壓縮距53mm，耐下壓

14、50mpa，穩(wěn)壓4h，換向加上壓，則只能加至13.8mpa，直到壓縮距調(diào)至64mm，上壓才能加到50mpa。膠筒耐壓與壓縮距的關(guān)系見(jiàn)表5。表5膠筒耐壓與壓縮距的關(guān)系坐封壓力(mpa)壓縮距(mm)耐壓(mpa)下壓上壓加下壓13.3535013.8加下壓14.055未測(cè)23.4加下壓19.359未測(cè)27.0加下壓27.161未測(cè)32.2加下壓29.364未測(cè)50.0(3)增大坐封力t，可以提高接觸應(yīng)力，但t的增大是受限制的。這是因?yàn)槟z筒座與套管間有一定間隙，若軸向力太大，則膠筒肩突太多，超過(guò)其抗撕裂強(qiáng)度時(shí)膠筒易損壞而失效。從這個(gè)角度考慮，承受高壓的膠筒應(yīng)采用肩保。 結(jié)論與建議(1)封隔器膠筒的耐溫性能與材質(zhì)密切相關(guān)，對(duì)于耐溫和耐壓不高，或工作溫度較高而工作時(shí)間較短的膠筒，可優(yōu)先選用丁腈橡膠。對(duì)于耐溫和耐壓要求較高的膠筒，則應(yīng)考慮選用氫化丁腈橡膠。(2)封隔器膠筒的耐壓性能除受材質(zhì)的影響之外，還受膠筒結(jié)構(gòu)尺寸、膠筒座外徑和肩保等影響。在現(xiàn)有膠料性能不高的情況下，采取擴(kuò)大膠筒座和膠筒外徑，以及加肩保的方法來(lái)提高膠筒的耐壓性能不失為一條捷徑。(3)膠筒坐封力的方向最好與其受壓方向一致，如果封隔器承受下壓，應(yīng)從下往上壓縮膠筒；如果封隔器承受上壓，應(yīng)從上往下壓縮膠筒；如果封隔器兩端要求耐壓一樣，則最好從兩端同時(shí)壓縮膠筒，否則，膠筒雖能工作，