王瑞， 孫浩， 余 波， 趙春立， 潘 一

K344波紋狀鋼骨架封隔器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王瑞1， 孫浩1， 余 波2， 趙春立1， 潘 一1

（1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.中國石油新疆油田分公司 百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000）

在條件復(fù)雜的深油氣井井下作業(yè)時，封隔器需要具備良好的耐高溫、耐高壓和密封性能，以此來提高封隔器的使用壽命。相較于傳統(tǒng)的K344疊層鋼帶封隔器，K344波紋狀鋼骨架封隔器可以有效地減少內(nèi)外膠筒中部應(yīng)力，使中部受力更均勻，并可同時降低肩部受力。利用ABAQUS軟件，對K344波紋狀鋼骨架封隔器的坐封過程進(jìn)行有限元仿真分析，從結(jié)構(gòu)和材料兩方面對鋼帶的受力情況進(jìn)行研究，并通過仿真分析優(yōu)選出鋼帶的最優(yōu)厚度以及鋼帶的最優(yōu)材料。優(yōu)化后的封隔器能夠更好地適應(yīng)深油氣井的作業(yè)要求，提供了一種新的擴(kuò)張式封隔器設(shè)計思路。

K344封隔器； 波紋式構(gòu)造； 仿真分析； 鋼帶厚度； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著高溫、高壓、高含硫儲層開發(fā)的不斷深入，在高壓、高溫、復(fù)雜的深部地層中，鉆采工藝不斷發(fā)展，對封隔器作為井下工具的性能提出了更高的要求[1]。封隔器可以實現(xiàn)壓裂過程，提高油氣層的滲透率，達(dá)到增產(chǎn)的目的，亦可起到封隔SO2氣體防止逸出、提高生產(chǎn)安全性的作用。鋼骨架是壓裂封隔器的關(guān)鍵部件，一般選用不銹鋼材料，具有耐溫等級高、承壓大、強(qiáng)度高的特性。在內(nèi)膠筒徑向膨脹時，鋼骨架及外膠筒受壓力膨脹與管壁緊密接觸起到密封作用，而其密封性能和可靠性直接影響油氣井井下工藝措施的成功率和開發(fā)成本。鋼骨架的密封性能和疲勞壽命受骨架結(jié)構(gòu)、材料性能、油氣井開采條件等諸多因素的影響。因此，改進(jìn)并選取適合不同地質(zhì)環(huán)境壓力和工作條件的鋼骨架結(jié)構(gòu)和鋼帶材料，進(jìn)而提高井下套管在高溫高壓高含硫油藏開發(fā)過程中的安全系數(shù)和作業(yè)時間，減少故障的發(fā)生，具有重要的意義。

我國深層油氣藏開采發(fā)展迅速，厚油層挖潛勢在必行，同時也對井下封隔器提出了更高的要求。以往采用的K344疊層鋼帶封隔器（見圖1）存在一些不足之處：（1）疊層鋼帶膨脹后不易收縮，難以恢復(fù)原狀，無法重復(fù)使用，成本高；（2）膨脹時疊層鋼帶之間有臺階，密封性差，可能導(dǎo)致外膠筒局部受力過大斷裂失效；（3）疊層鋼帶不易安裝，制作工藝復(fù)雜，成本高。

圖1　K344疊層鋼帶封隔器實物圖

隨著材料科學(xué)及設(shè)計制造方法的不斷創(chuàng)新，新型擴(kuò)張式封隔器的密封性能和抗壓能力得到了極大的提高[2]，而且可以通過軟件對封隔器膠筒和外層套管內(nèi)壁之間的接觸情況進(jìn)行分析[3-9]，因此有助于進(jìn)一步提高封隔器的密封效果和使用壽命[10-11]。

針對K344疊層鋼帶封隔器存在的問題，本文提出了一種新型波紋狀鋼骨架封隔器，理論上能夠解決油藏開采中出現(xiàn)的一些問題，如減少高含硫氣體的泄漏、承受雙向高壓以及避免中途坐封等[12-13]。同時，通過ABAQUS軟件，對波紋狀鋼骨架K344封隔器進(jìn)行仿真[14-15]，并對鋼帶的厚度和鋼帶材料的選擇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期提高封隔器使用壽命。

1 密封結(jié)構(gòu)及原理

本文設(shè)計的K344波紋狀鋼骨架封隔器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由壓帽、護(hù)箍、外膠筒、內(nèi)膠筒、中心管和波紋狀鋼骨架組成。

圖2　K344波紋狀鋼骨架封隔器結(jié)構(gòu)

該封隔器通過從中心管中注液，液體從中心管下端進(jìn)入環(huán)形中空管中，外膠筒和波紋狀鋼骨架受到壓力擴(kuò)張膨脹起到坐封的效果。解封時，通過減少液體壓力，內(nèi)外膠筒會恢復(fù)原狀，具有良好彈性的鋼骨架收縮，完成解封。該封隔器采用曲面設(shè)計，貼合性好，擴(kuò)張膨脹后能與膠筒緊密貼合，使安全性大大提高。

2 有限元模型的建立及分析

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

結(jié)合K344鋼帶式封隔器的結(jié)構(gòu)及工作原理，以實際結(jié)構(gòu)及尺寸為依據(jù)，通過ABAQUS軟件建立有限元模型。對K344波紋狀鋼骨架封隔器有限元模型進(jìn)行分析，內(nèi)膠筒與鋼帶、鋼帶與外膠筒、外膠筒與套管接觸采用面-面接觸單元。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3），所有模型均采用C3D8R單元劃分，便于加快計算速度。其中，套管網(wǎng)格數(shù)為30 240，護(hù)箍網(wǎng)格數(shù)為4 488，內(nèi)膠筒網(wǎng)格數(shù)為21 600，外膠筒網(wǎng)格數(shù)為28 248，鋼帶總網(wǎng)格數(shù)為20 190。

圖3　封隔器坐封前模型及網(wǎng)格劃分

波紋狀鋼骨架采用波紋式柔和曲面，其曲面彎曲形狀為1.5倍正弦曲線，用函數(shù)表示為=1.5sin，、分別為函數(shù)曲線的橫、縱坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4　波紋曲面彎曲形狀曲線

2.2 膠筒力學(xué)特征分析

為分析封隔器各部件之間接觸應(yīng)力的關(guān)系，將所建立的有限元模型中各部件的性能參數(shù)與幾何尺寸列于表1中。

表1　封隔器各部件性能參數(shù)及幾何尺寸

封隔器密封膠筒中廣泛使用的材料如丁腈橡膠（NBR）和氫化丁腈橡膠（HNBR）是超彈性材料。描述超彈性材料的本構(gòu)模型有Neo-Hookan、Mooney-Rivlin、Yeoh、Blatt-Ko、Ogden、Varga和Gent等。

實際應(yīng)用中封隔器橡膠的極限壓縮應(yīng)變不超過30%，屬于較高應(yīng)變量（Yeoh模型、Ogden模型、Gent模型不適用），可以等效于非線性單軸壓縮行為，并在壓縮過程中產(chǎn)生法向和切向應(yīng)力（Neo-Hookan模型不適用）。本文使用的橡膠材料為不可壓縮聚氨酯泡沫型橡膠材料（Blatt-Ko不適用），橡膠為矩形模型（Varga模型不適用），因此材料描述選用Mooney-Rivlin模型，通常采用雙參數(shù)公式來描述模型的應(yīng)變能函數(shù)：

式中，為橡膠的應(yīng)變能；1和2均為橡膠變形張量的不變量；10和01均為橡膠Mooney-Rivlin模型的材料正定常數(shù)。由材料力學(xué)相關(guān)知識可知，彈性模量、剪切模量與泊松比的關(guān)系可由式（2）表示。

=/[2（l+）] （2）

根據(jù)材料手冊能夠得到橡膠的泊松比，其值約為0.5，故式（2）可改寫為=3。橡膠的剪切模量與Mooney-Rivlin模型的材料正定常數(shù)的關(guān)系為：

=2 (10+01) （3）

因此，存在=6(10+01)。對于膠筒，10/01≈2，最后可得到封隔器膠筒的材料正定常數(shù)：10=1.53，01=0.77。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 加載計算

根據(jù)彭建東[15]在XZ23-6井分層壓裂過程中的施工參數(shù)，封隔器的工作壓力約為30 MPa，本文通過油管對內(nèi)膠筒加載30 MPa的壓力，內(nèi)膠筒在內(nèi)部液體壓力的作用下擠壓鋼帶和外膠筒，最終坐封在套管上。封隔器坐封后模型如圖5所示。

圖5　封隔器坐封后模型

波紋狀鋼骨架在受力膨脹后波紋逐漸被撐開，直徑變大，能夠與膠筒緊密貼合，密封性能更好，且波紋狀鋼骨架膨脹延展后受力面積增大，單位面積所受壓力變小，在一定程度上增加了鋼帶的承壓能力。波紋狀鋼骨架坐封前后對比如圖6所示。

圖6　波紋狀鋼骨架坐封前后對比

3.2 內(nèi)外膠筒應(yīng)力分析

在30 MPa的工作壓力下，通過分析波紋式鋼骨架和疊層鋼帶內(nèi)外膠筒上的應(yīng)力變化情況，對二者進(jìn)行性能比較，其內(nèi)外膠筒上的接觸應(yīng)力如圖7所示。圖7中，橫坐標(biāo)為以內(nèi)膠筒原長為基準(zhǔn)的各點的相對位置。由圖7可以看出，使用波紋狀鋼骨架后，內(nèi)外膠筒中部應(yīng)力明顯比疊層鋼帶的應(yīng)力分布更均勻，且其內(nèi)外膠筒中間部分的接觸應(yīng)力更小，膠筒肩部應(yīng)力也比疊層鋼帶小。因此，本文設(shè)計的波紋狀鋼骨架承壓效果更好，可以更好地延長膠筒的使用壽命。

根據(jù)仿真結(jié)果得到的使用波紋鋼骨架后內(nèi)外膠筒Mises等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8　K344波紋狀鋼骨架封隔器內(nèi)外膠筒Mises等效應(yīng)力云圖

通過圖8可以更具體地看出應(yīng)力在膠筒上的分布狀況。

4 封隔器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 鋼骨架厚度優(yōu)化

鋼骨架厚度對封隔器使用壽命的影響極大。如果鋼骨架的厚度過小，則能夠承受的應(yīng)力?。蝗绻搸Ш穸冗^大，也會影響封隔器的坐封效果。因此，對鋼帶的厚度應(yīng)該合理地選擇。分別建立鋼骨架厚度為0.5、1.0、1.5 mm的封隔器有限元模型，在同等坐封載荷條件下進(jìn)行了仿真計算。不同厚度鋼骨架接觸應(yīng)力及形變?nèi)鐖D9所示。

圖9　不同厚度鋼骨架接觸應(yīng)力及形變

由圖9可以看出，不同厚度的鋼骨架接觸應(yīng)力變化趨勢相同；當(dāng)鋼骨架厚度為1.5 mm時，鋼骨架的接觸應(yīng)力較大，膠筒肩部應(yīng)力迅速增加，其變化范圍為10.0～45.0 MPa，若應(yīng)力過大則會造成密封效果不佳；當(dāng)鋼骨架厚度為0.5 mm時，鋼骨架的接觸應(yīng)力最小，但此時鋼骨架形變較大，外膠筒易發(fā)生斷裂損壞；當(dāng)厚度為1.0 mm時，鋼骨架的接觸應(yīng)力變化趨勢較為平緩，變化幅度不大，其值為12.0～22.0 MPa，在此條件下密封效果良好，鋼骨架形變較小。因此，應(yīng)選擇厚度為1.0 mm的波紋式鋼骨架。

4.2 鋼骨架材料的優(yōu)化

鋼骨架質(zhì)量和強(qiáng)度與材料的選擇有關(guān)，通常可作為鋼骨架的材料有很多種，本文選用不銹鋼和彈簧鋼兩種材料進(jìn)行有限元分析，采用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真。兩種材料的屬性參數(shù)見表2，不同材料鋼帶接觸應(yīng)力曲線如圖10所示。

表2　不銹鋼與彈簧鋼參數(shù)

圖10　不同材料鋼帶接觸應(yīng)力曲線

鋼骨架材料的選擇影響封隔器的功能發(fā)揮和使用壽命。由圖10可以看出，不銹鋼上的應(yīng)力分布不均勻，中間部位受到的應(yīng)力為14.0～15.0 MPa，兩端應(yīng)力為12.0～21.5 MPa，兩端應(yīng)力迅速增大，如此大幅度的應(yīng)力變化極易導(dǎo)致鋼材發(fā)生損壞，影響封隔器的正常使用；彈簧鋼受到的應(yīng)力為14.0～16.5 MPa，整體變化平緩；彈簧鋼解封后殘余形變小，井下作業(yè)方便。因此，彈簧鋼是比較適合的鋼骨架材料。

5 結(jié) 論

（1）波紋狀鋼骨架可以有效地降低封隔器膠筒中部應(yīng)力，使中部接觸應(yīng)力變化平緩，同時也在一定程度上減小膠筒肩部應(yīng)力。

（2）當(dāng)波紋狀鋼骨架厚度為1.0 mm時，封隔器內(nèi)外膠筒所受接觸應(yīng)力及鋼骨架形變量較小，綜合坐封效果更好。

（3）鋼骨架材料為彈簧鋼時，骨架應(yīng)力為14.0～16.5 MPa，整體變化趨于平緩，解封后殘余形變小，坐封效果好。

［1］楊姝宜，李萍，張振華，等.不同濕度的H2S在Fe2O3表面的吸附反應(yīng)研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2009， 22（2）：34-37.

［2］代理震，徐冠軍.水平井分段壓裂管柱中K344封隔器錨定力分析及計算［J］.江漢石油職工大學(xué)學(xué)報，2016，29（3）：21-24.

［3］李旭，竇益華.壓縮式封隔器膠筒變形階段力學(xué)分析［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（10）：17-19.

［4］徐冠軍，雷金晶，馮定，等.壓縮式封隔器膠筒坐封過程數(shù)值分析［J］.決策與信息，2014（24）：85．

［5］付道明.熱采井封隔器膠筒非線性大變形分析［J］.石油機(jī)械，2016，44（11）：54-58.

［6］竇益華，曹亭，王鵬，等.注水封隔器膠筒三維應(yīng)力有限元仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造工程， 2018，47（4）：39-43.

［7］陳德敏.煤層裸眼井壓裂用封隔器優(yōu)化設(shè)計［J］.煤礦機(jī)械， 2017，38（9）：9-11.

［8］Zhang F Y，Shui H C，Yang J M.Sealing performance and fatigue life of the fracturing packer rubber of various materials［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2019，233（17）：6157-6166.

［9］陳少奇，羅毅，邱楓，等.壓縮式封隔器接觸力學(xué)行為及坐封效果評價［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，34（4）：82-88.

［10］ 郭志平，李冠孚，王燕飛，等.基于ANSYS 的封隔器接觸應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2012（10）：268-270.

［11］ 王云學(xué)，許仁波，孟奇龍，等.壓縮式封隔器膠筒接觸力學(xué)行為有限元分析［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，40（1）：61-64.

［12］ 程心平.擴(kuò)張式封隔器膠筒參數(shù)優(yōu)選［J］.石油機(jī)械，2014，42（7）：64-68.

［13］ 張宇，朱慶，何激揚(yáng)，等.高溫高壓高含硫氣井生產(chǎn)運行期井筒完整性管理［J］. 天然氣勘探與開發(fā)，2017，40（2）：80-85．

［14］ 王蘭文，盛選禹.封隔器的加壓擴(kuò)張分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械制造，2019，57（9）：50-54.

［15］ 彭建東.水力擴(kuò)張式封隔器在XZ3-6井分層壓裂中的應(yīng)用［J］.化工設(shè)計通訊，2017，43（4）：20.

Structural Optimization of K344 Corrugated Steel Frame Packer

Wang Rui1， Sun Hao1， Yu Bo2， Zhao Chunli1， Pan Yi1

（1.College of Petroleum Engineering， Liaoning Petrochemical University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China；2.Baikouquan Oil Production Plant， PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay Xinjiang 834000，China）

In the complex deep oil and gas well downhole operation, the packer needs to have good high temperature resistance, high pressure resistance and sealing performance, so as to improve the service life of the packer.Compared with the traditional K344 laminated steel belt packer, the K344 corrugated steel frame packer can effectively reduce the stress in the middle of the inner and outer rubber barrel, make the force in the middle more even, and reduce the force on the shoulder at the same time. In this paper, by using ABAQUS software, the K344 corrugated steel skeleton packer setting process in finite element simulation analysis, from two aspects of structure and material to the force of the steel strip was studied, and a simulation analysis with the optimal thickness of the strip, and the optimal material for steel belt optimized packer could better adapt to the job of deep oil and gas wells, provided a new expansion packer design thinking.

K344 packer； Corrugated structure； Simulation analysis； Steel strip thickness； Structure optimization

http：//journal.lnpu.edu.cn

TE931

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2021.04.010

1672-6952（2021）04-0058-05

2020-05-28

2020-06-20

中國石油科技創(chuàng)新基金項目（2017D-5007-0201）。

王瑞（1996-），男，碩士研究生，從事油氣田開發(fā)方面的研究；E-mail：brown_wang@126.com。

潘一（1976-），男，博士，教授，從事油氣田開發(fā)方面的研究；E-mail：panyi_bj@126.com。

（編輯 宋錦玉）