压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析.pdf

钟功祥，钟升级，程柯文.压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析J.机械科学与技术，2023，42（8）：1261-1269压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析钟功祥，钟升级，程柯文（西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，成都610500）摘要：压缩式封隔器广泛用于油田分层开采工艺，其胶筒的坐封通过高压流体作用在活塞上压缩胶筒或管柱来实现。现场作业发现：压缩式胶筒离载荷端较远，且大多采用单向加载，导致坐封不完全，接触应力与密封性能系数较低。针对上述问题，基于 Mooney-Rivlin 超弹模型、胶管变形及接触非线性理论，建立压缩式胶筒组有限元计算模型,从内衬套和防肩突结构开展单因素分析，并对其裸眼密封性能进行研究，结果表明：三角形内衬套能有效提高胶筒中部接触应力；金属圆环防突结构能提高胶筒密封性能系数；与常规压缩式封隔器相比，优化后的压缩式封隔器密封性能显著提高；裸眼井壁的不规则程度在一定范围内时，对封隔器的密封性能影响不大。关键词：压缩式封隔器；接触应力；肩突；密封性能；裸眼井壁中图分类号：TE931文献标志码：ADOI：10.13433/ki.1003-8728.20220082文章编号：1003-8728（2023）08-1261-09Structurally Optimizing Rubber Cylinder of Compression Packer andAnalyzing Its Open-eye Sealing PerformanceZHONGGongxiang，ZHONGShengji，CHENGKewen(TheMinistryofEducationKeyLaboratoryofPetroleumandNaturalGasEquipment,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)Abstract：Acompressionpackeriswidelyusedinanoilfieldsstratifiedproductionprocesses,andthesettingofitsrubbercylinderis achieved by compressing the rubber cylinder or pipe string through the action of high-pressure fluid on the piston.Fieldoperationsfindthattherubbercylinderisfarfromtheloadendandthatthemajorityofitareloadedinonedirection,resultinginincompletesettingandlowcontactstressandsealingperformancecoefficient.Duetotheaboveproblems,basedontheMooney-Rivlin hyper-elastic model,the hose deformation and contact nonlinear theory,the finite element model for calculating thecompressionrubbercylindergroupwasestablished,andthesinglefactoranalysiswascarriedoutfromtheinnerbushingandtheanti-shoulderstructure,andtheopen-holesealingwascarriedout.Theperformanceisstudied,andtheresultsshowthat:1）thetriangularinnerbushingcaneffectivelyimprovethecontactstressinthemiddleoftherubbercylinder;2）themetalringanti-burststructurecanimprovethesealingperformancecoefficientoftherubbercylinder;3）comparedwiththeconventionalcompressionpacker,thesealingperformanceoftheoptimizedcompressionpackerissignificantlyimproved;4）whentheirregularityoftheopenholewalliswithinacertainrange,thesealingperformanceofthecompressionpackerisnotaffectedmuch.Keywords：compressionpacker；contactstress；shoulderprotrusion；sealingperformance；openholewall封隔器作为油气田生产开发的重要井下工具，由于其独特的作用，为油气田正常生产和各种井下工艺的顺利进行提供了有效机械手段。因此，封隔器被认为是实现油气田合理开采的战略性武器1。目前，针对于封隔器的密封准则以接触应力的大小收稿日期：2021-08-28基金项目：省部共建“石油天然气装备”教育部重点实验室（西南石油大学）项目（2019sts03）作者简介：钟功祥（1962），教授，硕士生导师，硕士，研究方向为石油机械工程，2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.42No.8http:/ 152.4mm裸眼井眼的压缩式裸眼封隔器4，该封隔器能够在坐封时保护胶筒防止发生“肩突”现象，提高了封隔器承压能力。李强开展了对新型密封结构密封性能的研究5，与常规三胶筒密封结构相比，密封胶筒组与井壁之间的最大接触压力和平均接触压力均有较大提高，有效解决了封隔器胶筒组与井壁和胶筒组与中心管之间密封性能差的问题。Polonsky 等6分析了封隔器坐封过程中胶管的工作状态，提出了高压密封和防突结构的封隔器坐封方案。上述研究主要集中于新型封隔器的设计,也涉及坐封方案的改进，但现有常规胶筒封隔器结构简单，密封性能较差，又由于深井、超深井的地质条件复杂、埋藏深度过大，高压压裂易导致胶筒台肩突出、撕裂和压碎等问题7，故其难以满足密封问题建设。针对上述问题，建立封隔器密封性能指标，并根据 Mooney-Rivlin8超弹模型、胶管变形及接触非线性理论9,构建压缩式封隔器胶筒组在实际工作条件下的有限元计算模型,对压缩式胶筒组的关键结构进行优化，并对其裸眼密封性能进行分析。1 压缩式胶筒密封性能评价指标及本构模型的建立封隔器的密封性能指标是封隔器最为重要的工作参数，直接决定了封隔器的工作性能的优劣。目前，针对于封隔器的密封准则是以接触应力的大小为主，但在实际使用过程中，封隔器的密封性能与接触应力、接触长度、肩突值都有关。因此针对于压缩式胶筒的密封性能评价指标要从多个方面综合考量。1）接触应力 P。接触应力为传统评价密封性能好坏的指标，其中接触面上的最大接触应力更是评判最大密封性能的指标。接触应力越大，胶筒密封性能越好，抗泄漏能力越强。2）密封性能系数 K。密封性能系数 K10代表了接触应力曲线在沿轴向距离上围成的面积，该指标既考虑了胶筒的接触应力，也考虑了胶筒的接触长度。对于胶筒的承压、密封能力方面的评价更加全面。密封性能系数越大，密封性能越好。K=CpCL（1）CpCLK式中：为胶筒与井壁接触应力，MPa；为胶筒与井壁接触长度，mm；为密封性能系数，MPamm。3）肩突值 J。肩突值的定义是胶筒压缩后压入到隔环与井壁环形空间轴向长度，如图 1 所示。它是胶筒密封可靠性的评价标准，肩突值越大，胶筒就越容易发生破坏。中心管隔环胶筒井壁肩突值 J图1肩突值定义Fig.1Definitionofshoulderprotrusionvalue由于橡胶材料为高度非线性的材料，在很大的应变值下仍然能够保持原有弹性，所以不能通过杨氏模量和泊松比对其进行定义。Mooney-Rivlin 模型是完全多项式中比较简单的超弹模型，在材料的精确参数未知时常使用这种模型，同时该模型能够很好的拟合不可压缩橡胶材料的中等变形情况下的力学行为，因此采用两参数的 Mooney-Rivlin 模型作为胶筒的本构模型。C01/C10=0.05橡胶所用的聚氨酯材料的材料系数比值11时的拟合曲线与试验曲线重合性好，常用胶筒材料的本构模型力学性能常数12如表 1 所示。表 1 橡胶材料本构模型力学性能常数Tab.1Mechanicalperformanceconstantsforrubbermaterialconstitutivemodels胶筒硬度弹性模量C10C0175HA8.76MPa1.1240.05680HA10.98MPa1.5330.076785HA13.80MPa1.9260.963 2 压缩式胶筒组建模及边界条件设置在 ABAQUS 软件中对压缩式胶筒建模，其结构参数如图 2 所示。1262机械科学与技术第42卷http:/ 2胶筒 1胶筒 2胶筒 3下隔环上隔环中间隔环 110701 45300R4141424.525加载端图2压缩式胶筒组结构参数Fig.2Thestructuralparametersofthecompression-typerubbercylinderassembly中心管材料为 45CrNiMoV；隔环材料为金属即高强度铝镁合金；井壁材料为 45 钢；胶筒 1、胶筒2 及胶筒 3 材料为橡胶，橡胶硬度分别为 75HA、80HA、80HA。在边界条件设置中，胶筒与中心管设置为表面与表面接触，摩擦因数为 0.3；隔环和中心管之间摩擦因数为 0.1；胶筒与隔环的摩擦因数为 0.3；胶筒与井壁的摩擦因数为 0.513；中心管与井壁设置为完全固定，限制隔环 X 方向固定、下隔环完全固定；同时在上隔环施加压缩载荷 20MPa。3 压缩式胶筒组单因素分析 3.1压缩式胶筒组数值分析结果常规压缩式胶筒组 Mises 应力云图如图 3 所示。S,Mises(平均:75%)+2.230E+01+2.047E+01+1.864E+01+1.680E+01+1.497E+01+1.314E+01+1.131E+01+9.475E+00+7.643E+00+5.811E+00+3.979E+00+2.147E+00+3.145E 01S,Mises(平均:75%)+8.283E+00+7.610E+00+6.937E+00+6.264E+00+5.591E+00+4.918E+00+4.245E+00+3.572E+00+2.899E+00+2.226E+00+1.552E+00+8.794E 01+2.063E 01S,Mises(平均:75%)+5.597E+00+5.132E+00+4.666E+00+4.200E+00+3.735E+00+3.269E+00+2.804E+00+2.338E+00+1.872E+00+1.407E+00+9.411E 01+4.754E 01+9.814E 03胶筒 1胶筒 2胶筒 3图3压缩式胶筒组 Mises 应力云图Fig.3Misesstresscloudmapofcompression-typerubbercylinderassembly从图 3 中可以看出：胶筒 1 并没有完全压缩，胶筒内壁与中心管没有完全接触且存在缝隙，说明受限于单向施加载荷的影响导致远离载荷的胶筒难以产生足够的变形，胶筒有产生肩突的现象但不明显；胶筒 2 作为中间胶筒受载较胶筒 1 明显改善，胶筒与中心管和井壁完全贴合，有一定的肩突现象；胶筒 3 离受载荷端最近，胶筒过度压缩产生了明显的肩突现象，上端肩突值比下端肩突值更加明显且应力更加集中。从胶筒的应力分析可以看出，每个胶筒应力的最大位置都处于受载一端即隔环挤压胶筒发生肩突的区域，胶筒 3 的 Mises 应力值最大为 22.3MPa，肩突值为 5.8mm。胶筒组沿轴向距离的接触应力曲线如图 4 所示。c)胶筒 3接触应力/MPa14121086420轴向距离/mm1020304060503.53.02.52.01.51.0接触应力/MPa轴向距离/mm0.501020304050b)胶筒 2接触应力/MPa1.2轴向距离/mm51015202530351.00.80.60.40.20a)胶筒 1图4胶筒组沿轴向距离的接触应力曲线Fig.4Thecontactstresscurvealongtheaxialdistanceofthecylinderassembly从图 4 可以看出：胶筒 1 的最大值为 1.1MPa，密封性能系数 K31MPamm；胶筒 2 的最大接触应力为 3.1MPa，密封性能系数 K 为 94.4MPamm；第8期钟功祥，等:压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析1263http:/ 3 的最大接触应力为 13.4MPa，密封性能系数K429.5MPamm。由于胶筒 1 和胶筒 2 的密封性能系数以及整体接触应力相较于胶筒 3 差距较大，表明胶筒 3 是胶筒组中的主要密封部分，很大程度上决定了压缩式胶筒组的密封性能。3.2内衬套结构对压缩胶筒密封性能的影响压缩式胶筒在坐封时，胶筒 1 和胶筒 2 由于离载荷端较远，坐封不完全，最终导致接触应力与密封性能系数都较低。如图 5 所示，通过在胶筒内壁与中心管之间添加不同形状的内衬套结构和考虑无内衬套的异型胶筒结构，分析胶筒组在轴向载荷下的变形情况以及胶筒组与井壁之间接触压力的变化14。5.44.55.42424244a)三角形内衬套b)梯形内衬套c)异型胶筒图53 种内衬套结构参数Fig.5Structuralparametersofthreetypesofinnerliner不同内衬套结构胶筒组的接触应力曲线如图 6所示。从图 6 中可以看出：横坐标为实际应力产生的位置，虽然内衬套结构对应力位置会产生一定的影响，但差别不大，3 种结构最大应力都出现在胶筒3 与上隔环接触位置15。胶筒组整体应力情况沿加载端轴向减小，最大接触应力分别为三角形 14MPa、梯形 14.2MPa、异型胶筒 14.3MPa，相较于常规胶筒的 13.4MPa 均有一定提升；整体接触应力三角形和梯形内衬套提升明显，异型胶筒在沿着轴向距离的接触应力下降较快。1614121086420220020406080100 120 140接触应力/MPa轴向距离/mm三角形梯形异型胶筒常规胶筒 3胶筒 2胶筒 1图6不同内衬套结构胶筒组的接触应力曲线Fig.6Contactstresscurvesofcylinderassemblieswithdifferentinnerlinerstructures不同内衬套结构胶筒组的密封性能系数曲线如图 7 所示。从图 7 中可以看出：胶筒组和单个胶筒的变化趋势一致；异型胶筒的 K 值相比于常规胶筒有一定减少，仅为 552.1MPamm；三角形内衬套和KK梯形内衬套对于胶筒的密封性能均有提升，其中三角形内衬套提升最大，相较于常规胶筒值提升了16.1%,达到 644.2MPamm。相反，异型胶筒的值相比于常规胶筒在一定程度上有所减少。660640620600580560540三角形密封性能系数 K/(MPamm)梯形异型胶筒常规密封性能系数 K/(MPamm)三角形梯形异型胶筒常规403836343230密封性能系数 K/(MPamm)三角形梯形异型胶筒常规1351301251201151101051009590密封性能系数 K/(MPamm)480三角形梯形异型胶筒常规470460450440430胶筒组内衬套结构胶筒 1 内衬套结构 胶筒 2 内衬套结构胶筒 3 内衬套结构图7不同内衬套结构胶筒组的密封性能系数曲线Fig.7Coefficientofsealingperformancecurvesforcylin-derassemblieswithdifferentinnerlinerstructures不同内衬套结构的肩突值曲线图、压缩距柱状1264机械科学与技术第42卷http:/ 8 所示。从图 8 中可以看出：异型胶筒的中间留有凹槽易压缩，其压缩距最大为53.4mm，其余两种结构的压缩距均为 51mm 左右，无明显变化；异型胶筒的肩突值最大为 6.2mm，三角形结构较常规胶筒提升约 5.2%为 6.06mm；整体变形情况，三角形结构坐封后空隙少，压缩效果好，其次是梯形结构，而异型胶筒空隙大、效果最差。545352515049486.56.05.55.04.54.03.53.02.52.0三角形梯形异型胶筒内衬套结构常规压缩距/mm压缩距肩突值肩突值 J/mm图8不同内衬套结构肩突曲线、压缩距柱状及胶筒变形图Fig.8Shoulderprotrusioncurves,compresseddistancecyl-indercharts,andcylinderdeformationmapsforcylin-derassemblieswithdifferentinnerlinerstructures综上所述：内衬套结构能够增强胶筒组的密封性能，其中三角形内衬套的效果最好，压缩相对更加完全，且对于肩突值的影响较小，不会增加肩突风险；异型胶筒虽然在最大接触应力方面效果更好，但其接触应力趋势下降太快，密封性能系数低。3.3防突结构对压缩胶筒密封性能的影响在实际工作条件下，肩突是导致胶筒破坏的主要原因16，所以需要对密封胶筒进行防突结构的设计与分析。这里提出两种防突结构：金属圆环和环形金属片，结构参数如图 9 所示。R3.4R4.5R4.30.20.29环形金属片金属圆环44R3.4R3.7R3.74图9两种防突结构结构参数Fig.9Structuralparametersoftwotypesofanti-protrusionstructures添加防突结构后，3 种胶筒组的接触应力曲线如图 10 所示。从图 10 中可以看出：3 种结构最大应力都在胶筒 3 与上隔环接触位置，且位置几乎相同。添加环形金属片后，胶筒 2 和胶筒 3 都出现了接触应力陡然升高随后回落，其接触应力的最大值分别为 8.4MPa、13.6MPa，分析认为这是由于钢片变形后产生的回弹力引起的应力畸变；而添加金属圆环后，最大接触应力值为 12.7MPa，相较于常规胶筒减少了 5.2%。通过常规与金属圆环的接触应力曲线发现：常规胶筒的最大接触应力发生在胶筒3 的端部；由于金属圆环结构增强了胶筒端部的刚度，在同样载荷下金属圆环胶筒端部变形相较于常规胶筒变形程度较低，这就会降低胶筒组的最大接触应力，胶筒 1 和胶筒 2 处金属圆环产生的最大接触应力分别为 1.7MPa 和 4.4MPa，相较于常规胶筒分别提高了 54.5%和 41.9%。从接触长度方面看，常规胶筒的接触长度包括由于肩突而产生的接触面，所以环形金属片和金属圆环的接触长度相较于常规胶筒有所缩短。轴向距离/mm接触应力/MPa胶筒 1胶筒 2胶筒 314121086420220020406080100120140环形金属片金属圆环常规胶筒图103 种结构胶筒组的接触应力曲线Fig.10ContactstresscurvesforthreetypesofcylinderassemblieswithdifferentstructuresK3 种结构胶筒组的密封性能系数曲线如图 11所示，从图中可以看出：添加环形金属片胶筒组的密封性能系数 K 值相较于常规胶筒组减少了 39%，为338.53MPamm，其中胶筒 3 的 K 值减少了近一半；而添加金属圆环后，胶筒 1 和胶筒 2 的 K 值较常规胶筒均有提升，胶筒 3 的 值有所减少，胶筒组整体K 值提升了 14.1MPamm。总体来说，加入环形金属片后，胶筒组的密封性能系数降低明显，而加入金属圆环后，胶筒组的密封性能系数小幅提高。第8期钟功祥，等:压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析1265http:/ K/(MPamm)金属圆环常规密封性能系数 K/(MPamm)胶筒 1 胶筒厚度44464240363228303438环形金属片金属圆环常规密封性能系数 K/(MPamm)1351301251201151101051009590胶筒 2 胶筒厚度环形金属片金属圆环常规密封性能系数 K/(MPamm)胶筒 3 胶筒厚度环形金属片金属圆环常规450400350300250200图113 种结构胶筒组的密封性能系数曲线Fig.11Coefficientofsealingperformancecurvesforthreetypesofcylinderassemblieswithdifferentstructures3 种结构胶筒的肩突值曲线图、压缩距柱状图如图 12 所示。525048464442406543012环形金属片金属圆环常规防突结构肩突值/mm压缩距/mm压缩距肩突值图123 种结构胶筒的肩突值曲线图、压缩距柱状图Fig.12Shoulderprotrusionvaluecurvesandcompresseddistancecylinderchartsforthreetypesofcylinderassemblieswithdifferentstructures从肩突值曲线可以看出：防突结构对肩突现象的控制均有效果，添加环形金属片后胶筒组的肩突值降低了 42.7%，为 3.3mm；添加金属圆环后，肩突值降低了 94.8%，为 0.3mm。3 种结构胶筒组最终变形情况如图 13 所示，环形金属片和金属圆环的肩突抑制效果明显。分析认为，防突结构增加了局部胶筒的刚度，导致胶筒变形减小，压缩距减少。环形金属片金属圆环常规胶筒图133 种结构胶筒变形图Fig.13Deformationmapsofthreetypesofcylinderassemblieswithdifferentstructures综上所述：两种金属防突结构中金属圆环的防突能力更强，密封性能更好、整体性能更符合要求。由于防突结构的限制，两种添加金属防突结构的胶筒接触长度均有所缩短。且添加了金属圆环结构的胶筒组，因其接触应力的提高以及均匀性，使得密封性能较常规胶筒组更强。3.4关键结构优化前后整体性能对比通过增加内衬套和防突结构对压缩式胶筒组的结构参数进行优化，并与优化前的情况进行对比分析，得到胶筒组的变形对比图和胶筒组接触应力对比曲线，如图 14 和图 15 所示。1266机械科学与技术第42卷http:/ 04U,Magnitude+4.837E+01+4.434E+01+4.031E+01+3.628E+01+3.225E+01+2.822E+01+2.419E+01+2.015E+01+1.612E+01+1.209E+01+8.062E+00+4.031E+00+0E+00a)优化前b)优化后图14优化前后胶筒变形位移对比图Fig.14Comparisonofcylinderdeformationdisplacementbeforeandafteroptimization轴向距离/mm接触应力/MPa14121086420220020406080100 120 140优化前优化后胶筒 3胶筒 2胶筒 1图15优化前后胶筒接触应力对比曲线Fig.15Comparisonofcylindercontactstresscurvesbeforeandafteroptimization从图 4 可以看出：优化后胶筒组的肩突现象得到抑制；优化后胶筒 1 的压缩程度完全没有空隙，而优化前胶筒 1 压缩不完全。从接触应力对比曲线可以看出：优化后胶筒3 的曲线更加平稳，胶筒 2 的最大接触应力提升了83.9%，为 5.7MPa，胶筒 3 的最大接触应力提升了209.1%，为 3.4MPa。优化前后的最大接触应力、密封性能系数和肩突值如表 2 所示。从表 2 中可以看出：结构优化前后的最大接触应力值变化不大，最大接触应力优化后降低 3.7%，密封性能系数提高 32.1%，肩突值降低 77.9%，优化后整体性能提升较明显。表 2 优化前后值与优化预测值分析表Tab.2Analysisofvaluesbeforeandafteroptimizationandpredictedoptimizationvalues状况最大接触应力密封性能系数肩突值优化后12.9MPa732.8MPamm1.28mm优化前13.4MPa554.9MPamm5.8mm综上所述：通过内衬套结构与防突结构的结合，其中防突结构能够抑制胶筒产生的肩突现象，内衬套结构能够提高胶筒整体的接触应力，优化后整体密封性能显著提高。4 压缩式胶筒组优化后裸眼密封性能分析 4.1裸眼井壁模型的建立封隔器工作环境为裸眼井壁。为探究压缩式胶筒组在不规则井壁中的密封情况，通过 SolidWorks三维建模软件，以两条边界线为界，在两条边界线之间随机取点所生成的曲线定为裸眼井壁曲线。使用扫描特征沿闭合路径通过扫描闭合轮廓来生成三维裸眼井壁17如图 16 所示。图16不规则裸眼井壁三维模型图Fig.16Athree-dimensionalmodelofirregularopen-holewellwalls 4.2压缩式胶筒组在不规则井壁中的密封性能分析将裸眼井壁模型导入 ABAQUS 仿真软件中，对压缩式胶筒组在不规则井壁中密封性能进行仿真分析，并对其在平滑井壁和不规则井壁中的密封性能进行对比。胶筒组在裸眼井壁的接触应力云图如图 17 所示。CPRESS+8.571E+01+1.700E+01+1.558E+01+1.417E+01+1.275E+01+1.133E+01+9.917E+00+8.500E+00+7.083E+00+5.667E+00+4.250E+00+2.833E+00+1.417E+00+0E+00图17压缩式胶筒组在裸眼井壁的接触应力云图Fig.17Contactstresscloudmapofcompression-typerub-bercylinderassemblyonanopenholewellwall第8期钟功祥，等:压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析1267http:/ 17 中可以看出：由于裸眼井壁的凹凸不平，胶筒组的接触应力也出现了分布不均的现象；胶筒 3 的最大接触应力最大为 15.3MPa，相较于平滑井壁的 12.9MPa 增大了 2.4MPa。分析认为，不规则的井壁导致胶筒出现应力集中，最大接触应力增加。为进一步探究该封隔器在不规则井壁中的密封能力，分别从周向和轴向对胶筒的接触应力和密封性能系数进行研究，重点分析胶筒 3 的接触应力。图 18 为胶筒 3 中部的周向接触应力曲线图。从图 18 中可以看出：井壁截面曲线半径与接触应力曲线成反比关系，井壁截面曲线半径增大，接触应力减小；从仿真结果可以得出：胶筒在不规则井壁中的接触应力大于在平滑井壁中接触应力，肩突值也由1.28mm 增加至 1.65mm。24接触应力/MPa井壁半径/mm周向角度/()10090807060504030222018161412108642050100150200250300350400不规则井壁接触应力平滑井壁接触应力井壁半径图18周向接触应力曲线Fig.18Circumferentialcontactstresscurve图 19 为胶筒 3 轴向接触应力对比图。从图 19中可以看出：通过与平滑井壁接触应力曲线的对比可以看出井壁半径的变化对胶筒轴向接触应力变化的趋势影响不大，在轴向距离为1020mm 时，井壁截面曲线半径出现峰值，接触应力出现小幅下降随后回升。不规则井壁密封性能系数为 480.4MPamm，大于平滑井壁密封性能系数 446.6MPamm，相差 7.5%。20接触应力/MPa井壁半径/mm轴向距离/mm807570656055504540181614121086420201020304050不规则井壁接触应力平滑井壁接触应力井壁半径不规则井壁 K=480.4 MPamm平滑井壁 K=446.6 MPamm图19轴向接触应力曲线Fig.19Axialcontactstresscurve通过分析压缩式胶筒组在裸眼井壁中的密封性可以得出：不规则井壁对于胶筒组的密封性能有较大的影响，井壁的变化造成了接触应力的提高和降低。分析认为，由于井壁的不规则变化，导致井壁出现了凹陷，胶筒组在受到挤压发生径向变形，凹陷周围的井壁限制了胶筒进一步的变化，因此胶筒在凹陷处的接触应力较小；而在井壁突起处，胶筒组产生应力集中，接触应力较大。另一方面，密封性能系数、接触应力和肩突值均增大的原因在于不规则裸眼井壁的建模时考虑了井壁的扩径率，导致胶筒组压缩距离更大，胶筒变形越大，使胶筒组的接触应力越大，肩突值增加，密封性能系数提高。综上所述，压缩式胶筒组在不规则井壁中的接触应力曲线整体高于在平滑井壁中的接触应力的曲线，但不显著。分析认为，这是由于压缩式胶筒组坐封时需要迫使胶筒径向变形密封，因此井壁半径变大，压缩距增大，接触应力增大，从而对于密封性能影响较大。5 结论1）基于封隔器的密封准则建立了封隔器密封性能评价指标。2）对压缩式胶筒的关键结构进行单因素优化，并对其密封性能进行分析对比。通过分析得出：常规胶筒添加三角形内衬套结构和胶筒金属圆环防突结构能够显著增加其密封性能。3）在胶筒组上添加内衬套结构与防突结构后，通过 ABAQUS 仿真对比得出：优化后的胶筒组密封性能系数提高了 32.1%，肩突值降低了 77.9%。4）开展了压缩式封隔器胶筒在不规则井壁中的密封性能分析，结果表明：井壁的不规则会使胶筒产生应力集中，接触应力相较于平滑井壁时会发生上下波动。总体来说，若井壁的不规则度控制在一定范围之内，则裸眼井壁对封隔器的密封性能影响不大。参考文献 王禹衡.封隔器坐封系统结构优化及弯曲井眼下入可行性研究D.成都:西南石油大学,2019.WANG Y H.Packer setting system structureoptimization and feasibility study of bending 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