压缩式封隔器胶筒耐温耐压浅析.doc

压缩式封隔器胶筒耐温耐压浅析作者：陈爱平 发布人：xilu222 发布时间：2006-4-26 下午 01:35:15 浏览次数：888 【关键词】封隔器,胶筒,耐温性能,耐压性能【摘要】随着井深的增加，以往的封隔器胶筒已远不能满足深井和超深井酸化、压裂和堵水等施工工艺的需要。根据胶筒的设计原理、受力状态及力学特征，并结合室内试验数据，分析了影响压缩式胶筒工作性能的最重要的两个指标工作温度和工作压差，指出胶筒的耐温性能与材质密切相关，可根据使用工况和工作温度来选用不同的橡胶；胶筒的耐压性能除受材质本身的影响外，还受胶筒结构尺寸、胶筒座外径和肩保等的影响。建议采用扩大胶筒座和胶筒外径及加肩保的方法来提高胶筒的耐压性能。浏览字体设置：-10pt+10pt12pt14pt16pt随着井深的增加，原有封隔器胶筒已远不能满足深井和超深井酸化、压裂和堵水等施工工艺的需要。笔者就胶筒设计原理、受力状态及力学特征，结合室内试验数据，对胶筒最重要的两个指标工作温度和工作压差进行了初步的分析，以寻求提高封隔器胶筒耐温和耐压性能的有效途径。压缩式胶筒结构参数设计1.胶筒结构参数的确定目前国内外所用压缩式胶筒均为柱状结构，主要结构参数为外径、内径和高度。假设胶筒压缩前后体积不变可得(R22-R21)H=(R23-R21)(H-H)(1)式中R1胶筒内半径,cm;R2胶筒外半径,cm;R3套管内半径,cm;H胶筒自由高度,cm;H压缩距,cm。两端除以H整理后得R22-R21=(R23- R21)(1-H/H)(2)胶筒的线应变=H/H(3)将式（3）代入式（2）得R22-R21=(R23-R21)(1-)(4)橡胶的允许应变应小于0.3，一般取0.25。式(4)中，套管内半径R3为确定值，胶筒外半径R2可根据封隔器允许最大外径确定，内半径R1可根据中心管允许最小外径确定，则可计算出，而=(H-H0)/H(H0为胶筒工作状态下的高度,可通过受力分析计算得出),根据H0，就可计算出胶筒的自由高度H。2.胶筒结构参数对耐压性能的影响常用胶筒结构参数见表1。从表中可以看出，线应变为0.47的封隔器胶筒，其耐压指标很难提高（虽然不是胶筒的结构参数，但它是胶筒结构参数的综合反映）。而148mm胶筒，在内径为157mm套管中比在内径为161mm套管中耐压差性能好。实践证明，越小越好。在一定套管内，这就要求增大胶筒外径或减小胶筒内径，而这两项指标受封隔器尺寸限制，不便改动。但对于耐温、耐高压的特种封隔器，其外径应灵活掌握。如对于内径124mm的139.7mm套管，7m长的电泵电动机外径可达116mm，30多米长的机组轴向投影尺寸达120mm，都能顺利安全起下，那么对于12m长的封隔器外径为什么不能提高到116118mm呢？如果这样，可降为0.170.21，其耐压指标则可上一个等级。表1常用胶筒结构参数套管内径(mm)胶筒外径(mm)胶筒内径(mm)胶筒线应变161/1571481010.26/0.19124113730.26108.699620.2512499600.47胶筒的耐温性能胶筒的工作温度主要受胶料及硫化体系的影响。目前橡胶硫化一般采用无硫硫化体系，有利于提高其耐温性能。下面就不同胶料的胶筒耐温性能做简要阐述。1.丁腈橡胶压缩式封隔器胶筒采用丁腈橡胶较好。这是因为丁腈橡胶不仅具有较高的耐温性能、良好的耐油性、较高的抗张强度和较好的弹性，而且易于成型和价格低廉。未加补强填充剂丁腈橡胶的抗张强度为34.5MPa，而加补强填充剂后抗张强度增大到2530MPa。与天然橡胶和丁苯橡胶相比，丁腈橡胶耐热性较好，其制品一般能在120下连续使用，在热油中也能耐温150。上海橡胶制品研究所新近研制的701型胶筒（厂家强调这种胶筒只能短时间使用），在150下基本上能耐压35MPa，但终因受结构的限制，在高温高压下，其不饱和双键易断开，使链状结构受到破坏而导致胶筒失效。2.氟橡胶氟橡胶具有较好的耐温、耐热和抗老化性能，但强力性能和硬度均随温度的升高而明显降低，其中抗张强度的变化特点是：在150以下，抗张强度随温度的升高而迅速降低；在150260之间，则随温度的升高而下降较慢,见表2。表2氟橡胶在不同温度下的性能变化1性能温度()24150260抗张强度(MPa)17.23.52.1伸长率(%)33012080硬度（邵尔A）756563显然，对于耐温要求小于或等于150的胶筒，氟橡胶并不合适，其可塑性差，难以加工成型，且价格比丁腈橡胶贵。有人曾用氟橡胶制作胶筒，未获成功。3.氢化丁腈橡胶2氢化丁腈橡胶是国外80年代中期开发并投入批量生产的一种新型橡胶,具有以下性能特点。(1)耐油和耐热性能好。由于对热敏感的双键部分被消除，因而耐热性明显提高，加之保留了氰侧基（-CN），仍具有丁腈橡胶的耐油性能；(2)强伸性能和耐磨性能高。用一般配方，氢化丁腈橡胶的抗张强度达30MPa以上，有特别要求的，可达60MPa；(3)耐压性和耐寒性优于丁腈橡胶，而其加工性与丁腈橡胶相似。4.氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶性能对比氢化丁腈橡胶与丁腈橡胶的性能对比见表3。 表3丁腈橡胶与氢化丁腈橡胶性能对比性能中胶筒端胶筒丁腈氢化丁腈丁腈氢化丁腈抗张强度(MPa)162711.626.7伸长率(%)300280175210硬度(邵尔A)78789086永久变形(%)2.5217.518从耐温性及抗张强度考虑,氢化丁腈橡胶有着广阔的发展前景,但存在永久变形大和价格较贵等问题。 影响胶筒耐压性能的主要因素处于工作状态的胶筒轴向受力状态如图1所示，其受力平衡方程为Fm+Ft=p(R23-R22)(5)Ft=2H0R2t(6)Fm=fSprw=f2H0R3prw(7)式中Fm胶筒与套管间的摩擦力，N；Ft胶筒的抗剪切力，N；p胶筒承受的工作压差，kPa；t橡胶所受剪应力，kPa；f胶筒与套管之间的静摩擦系数；prw胶筒与套管间的接触应力，kPa；H0胶筒工作状态下的长度，cm。图1胶筒受力状况将式(6)、(7)代入式(5)可得(8)1.胶筒外半径R2若胶筒外半径R2增大，则压差p增大。显然，胶筒和封隔器外径受套管内径限制不可能随意增加，因此采用肩保是一条捷径。江458活动式肩保具有许多优点，但因其结构较复杂，使用范围受到一定限制。对加保护铜碗和不加保护铜碗的两种胶筒进行疲劳试验，测量其耐压差的大小，结果见表4。表4胶筒疲劳试验情况(试验介质为柴油)胶筒材质胶筒外径(mm)试验温度()试验压力(MPa)循环次数压缩距(mm)试验结果氢化丁压50MPa稳压4h，上压50MPa降为29MPa，胶筒碎氢化丁功（加保护铜碗）丁压加至50MPa降为30MPa，起出端胶筒坏丁腈11415035458成功（残变稍大）丁腈11413040455下压40MPa能稳住，上压稳不住，下胶筒坏丁腈11413040460加保护铜碗，合格（残变6%）丁腈11415050264加保护铜碗，合格（残变3.5%）采用铜碗对提高胶筒耐压指标有明显作用。其机理为：装一片厚2mm铜碗，胶筒坐封加压后翻卷，相当于将胶筒座外径增加4mm，即减小密封间隙4mm，其耐压差指标必然提高。铜碗安装方便，起下无阻碍，压缩式封隔器胶筒均能采用。2.胶筒所受剪应力胶筒的剪应力t，如果用胶筒允许剪应力t代替，则p为最大耐压差值。而t=橡胶抗张强度/4。可见，胶筒的剪应力t取决于橡胶的抗张强度，这与胶料的性能有关。从表3中可以看出，氢化丁腈橡胶的抗张强度比丁腈橡胶高，但胶料的抗张强度因受工业生产水平的限制，欲再提高抗张强度难度较大。3.胶筒与套管间的接触应力对于各项参数已确定的胶筒，其能承受压差的多少取决于接触应力prw。工作胶筒一般处于稳定变形阶段，其接触应力prw由两部分组成prw=pr+pr1(9)式中pr胶筒受机械轴向力坐封产生的接触应力，kPa；pr1胶筒受液压压差作用产生的接触应力，kPa。(10)(11)式中胶筒的泊松比；T胶筒坐封时承受的轴向力，N；E胶筒的弹性模量，kPa；pz胶筒承受压差时高压端压力，kPa。将式(10)、(11)代入式(9)可得(12)式(12)中、R1、R2、R3对于参数确定的胶筒来说是常量，而在胶筒整个受力变形过程中，随胶筒的线应变而变化，当胶筒的压缩距一定，也就确定了，其变化范围为0.400.49,则式(12)可再简化为prw=Apz+BT-CE其中(1)Apz为由工作压差产生的应力。要使胶筒不泄漏，则要求prwpz。也就是说，如果胶筒工作压差越大，则需要BT-CE补偿的应力越大，那么就需要更大的坐封力T，这不仅会使胶筒的肩突更严重，还会降低其使用寿命，甚至损坏。(2)BT-CE为轴向坐封力产生的应力。 此应力随坐封力增加而增加，并随橡胶的弹性模量增加而减小，这是因为橡胶越硬，需克服其本身的弹性而消耗的功越多。式(12)是在忽略胶筒与套管间摩擦力的情况下推导出来的，prw在整个胶筒工作长度H0范围内无变化。实际上，胶筒与套管间的摩擦力是存在的，其实测应力pr如图2所示（胶筒只承受轴向力T，没有工作压差作用）。可知胶筒从哪端压缩，哪端接触应力就大，其耐压差能力就强。 图2实测胶筒应力分布曲线(压缩距为70mm)用上海701型胶筒做试验，加下压13.3MPa坐封，压缩距53mm，耐下压50MPa，稳压4h，换向加上压，则只能加至13.8MPa，直到压缩距调至64mm，上压才能加到50MPa。胶筒耐压与压缩距的关系见表5。表5胶筒耐压与压缩距的关系坐封压力(MPa)压缩距(mm)耐压(MPa)下压上压加下压13.3535013.8加下压14.055未测23.4加下压19.359未测27.0加下压27.161未测32.2加下压29.364未测50.0(3)增大坐封力T，可以提高接触应力，但T的增大是受限制的。这是因为胶筒座与套管间有一定间隙，若轴向力太大，则胶筒肩突太多，超过其抗撕裂强度时胶筒易损坏而失效。从这个角度考虑，承受高压的胶筒应采用肩保。 结论与建议(1)封隔器胶筒的耐温性能与材质密切相关，对于耐温和耐压不高，或工作温度较高而工作时间较短的胶筒，可优先选用丁腈橡胶。对于耐温和耐压要求较高的胶筒，则应考虑选用氢化丁腈橡胶。(2)封隔器胶筒的耐压性能除受材质的影响之外，还受胶筒结构尺寸、胶筒座外径和肩保等影响。在现有胶料性能不高的情况下，采取扩大胶筒座和胶筒外径，以及加肩保的方法来提高胶筒的耐压性能不失为一条捷径。(3)胶筒坐封力的方向最好与其受压方向一致，如果封隔器承受下压，应从下往上压缩胶筒；如果封隔器承受上压，应从上往下压缩胶筒；如果封隔器两端要求耐压一样，则最好从两端同时压缩胶筒，否则，胶筒虽能工作，