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：陳愛平 發(fā)布人：xilu222 發(fā)布時間：2006-4-26 下午 01:35:15 瀏覽次數(shù)：888 【關鍵詞】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)膠筒的設計原理、受力狀態(tài)及力學特征，并結合室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，分析了影響壓縮式膠筒工作性能的最重要的兩個指標工作溫度和工作壓差，指出膠筒的耐溫性能與材質密切相關，可根據(jù)使用工況和工作溫度來選用不同的橡膠；膠筒的耐壓性能除受材質本身的影響外，還受膠筒結構尺寸、膠筒座外徑和肩保等的影響。建議采用擴大膠筒座和膠筒外徑及加肩保的方

2、法來提高膠筒的耐壓性能。瀏覽字體設置：-10pt+10pt12pt14pt16pt 隨著井深的增加，原有封隔器膠筒已遠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。筆者就膠筒設計原理、受力狀態(tài)及力學特征，結合室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，對膠筒最重要的兩個指標工作溫度和工作壓差進行了初步的分析，以尋求提高封隔器膠筒耐溫和耐壓性能的有效途徑。壓縮式膠筒結構參數(shù)設計1.膠筒結構參數(shù)的確定目前國內(nèi)外所用壓縮式膠筒均為柱狀結構，主要結構參數(shù)為外徑、內(nèi)徑和高度。假設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)膠筒的線應變=h/h(3)將式（3）代入式（2）得r22-r21=(r23-r21)(1-)(4)橡膠的允許應變應小于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，則可計算出，而=(h-h0)/h(h0為膠筒工作狀態(tài)下的高度,可通過受力分析計算得出),根據(jù)h0，就可計算出膠筒的自由高度h。2.膠筒結構參數(shù)對耐壓性能的影響常用膠筒結構參數(shù)見表1。從表中可以看出，線應變?yōu)?.47

4、的封隔器膠筒，其耐壓指標很難提高（雖然不是膠筒的結構參數(shù)，但它是膠筒結構參數(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，而這兩項指標受封隔器尺寸限制，不便改動。但對于耐溫、耐高壓的特種封隔器，其外徑應靈活掌握。如對于內(nèi)徑124mm的139.7mm套管，7m長的電泵電動機外徑可達116mm，30多米長的機組軸向投影尺寸達120mm，都能順利安全起下，那么對于12m長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，其耐壓指標則可上一個等級。表1

5、常用膠筒結構參數(shù)套管內(nèi)徑(mm)膠筒外徑(mm)膠筒內(nèi)徑(mm)膠筒線應變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。這是因為丁腈橡膠不僅具有較高的耐溫性能、良好的耐油性、較高的抗張強度和較好的彈性，而且易于成型和價格低廉。未加補強填充劑丁腈橡膠的抗張強度為34.5mpa，而加補強填充劑后抗張強度增大到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（廠家強調(diào)這種膠筒只能短時間使用），在150下基本上能耐壓35mpa，但終因受結構的限制，在高溫高壓下，其不飽和雙鍵易斷開，使鏈狀結構受到破壞而導致膠筒失效。2.氟橡膠氟橡膠具有較好的耐溫、耐熱和抗老化性能，但強力性能和硬度均隨溫度的升高而明顯降低，其中抗張強度的變化特點是：在150以下，抗張強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抗張強度(mpa)17.23.

7、52.1伸長率(%)33012080硬度（邵爾a）756563顯然，對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氫化丁腈橡膠是國外80年代中期開發(fā)并投入批量生產(chǎn)的一種新型橡膠,具有以下性能特點。(1)耐油和耐熱性能好。由于對熱敏感的雙鍵部分被消除，因而耐熱性明顯提高，加之保留了氰側基（-cn），仍具有丁腈橡膠的耐油性能；(2)強伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氫化丁腈橡膠的抗張強度達30mpa以上，有特別要求的，可達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比氫化丁腈橡膠與丁腈橡膠的性能對比見表3。 表3丁腈橡膠與氫化丁腈橡膠性能對比性能中膠筒端膠筒丁腈氫化丁腈丁腈氫化丁腈抗張強度(mpa)162711.626.7伸長率(%)300280175210硬度(邵爾a)78789086永久變形(%)2.5217.518從耐溫性及抗張強度考慮,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格較貴等問題。 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力，kpa；h0膠筒工作狀態(tài)下的長度，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活動式肩保具有許多優(yōu)點，但因其結構較復雜，使用范圍受到一定限制。對加保護銅碗和不加保護銅碗的兩種膠筒進行疲勞試驗，測量其耐壓差的大小，結果見表4。表4膠筒疲勞試驗情況(試驗介質為柴油)膠筒材質膠筒外徑(mm)試驗溫度()試

10、驗壓力(mpa)循環(huán)次數(shù)壓縮距(mm)試驗結果氫化丁壓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加保護銅碗，合格（殘變6%）丁腈11415050264加保護銅碗，合格（殘變3.5%）采用銅碗對提高膠筒耐壓指標有明顯作用。其機理為：裝一片厚2mm銅碗，膠筒坐封加壓后翻卷，相當于將膠筒座外徑增加4mm，即減

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

12、kpa；pr1膠筒受液壓壓差作用產(chǎn)生的接觸應力，kpa。(10)(11)式中膠筒的泊松比；t膠筒坐封時承受的軸向力，n；e膠筒的彈性模量，kpa；pz膠筒承受壓差時高壓端壓力，kpa。將式(10)、(11)代入式(9)可得(12)式(12)中、r1、r2、r3對于參數(shù)確定的膠筒來說是常量，而在膠筒整個受力變形過程中，隨膠筒的線應變而變化，當膠筒的壓縮距一定，也就確定了，其變化范圍為0.400.49,則式(12)可再簡化為prw=apz+bt-ce其中(1)apz為由工作壓差產(chǎn)生的應力。要使膠筒不泄漏，則要求prwpz。也就是說，如果膠筒工作壓差越大，則需要bt-ce補償?shù)膽υ酱?，那么就需要?/p>

13、大的坐封力t，這不僅會使膠筒的肩突更嚴重，還會降低其使用壽命，甚至損壞。(2)bt-ce為軸向坐封力產(chǎn)生的應力。 此應力隨坐封力增加而增加，并隨橡膠的彈性模量增加而減小，這是因為橡膠越硬，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出來的，prw在整個膠筒工作長度h0范圍內(nèi)無變化。實際上，膠筒與套管間的摩擦力是存在的，其實測應力pr如圖2所示（膠筒只承受軸向力t，沒有工作壓差作用）?？芍z筒從哪端壓縮，哪端接觸應力就大，其耐壓差能力就強。 圖2實測膠筒應力分布曲線(壓縮距為70mm)用上海701型膠筒做試驗，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系見表5。表5膠筒耐壓與壓縮距的關系坐封壓力(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23.4加下壓19.359未測27.0加下壓27.161未測32.2加下壓29.364未測50.0(3)增大坐封力t，可以提高接觸應力，但t的增大是受限制的。這是因為膠筒座與套管間有一定間隙，若軸向力太大，則膠筒肩突太多，超過其抗撕裂強度時膠筒易損壞而失效。從這個角度考慮，承受高壓的膠筒應采用肩保。 結論與建議(1)封隔器膠筒的耐溫性能與材質密切相關，對于耐溫和耐壓不高，或工作溫度較高而工作時間較短的膠筒，可優(yōu)先選用丁腈橡膠。對于耐溫和耐壓要求較高的膠筒，則應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的影響之外，還受膠筒結構尺寸、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，采取擴大膠筒座和膠筒外徑，以及加肩保的方法來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，應從下往上壓縮膠筒；如果封隔器承受上壓，應從上往下壓縮膠筒；如果封隔器兩端要求耐壓一樣，則最好從兩端同時壓縮膠筒，否則，膠筒雖能工作，