【摘要】本文以Y341防突封隔器为研究对象，建立封隔器有限元模型，并简单介绍了分析该胶筒所采用的Mooney-Rivlin模型，分析了不同载荷对胶筒接触应力的影响，得出了胶筒接触应力沿轴向的分布规律，并从中可以看出封隔器的密封性能主要取决于中胶筒，其结果可为优化封隔器胶筒的结构起指导作用。

【关键词】防突封隔器；胶筒；有限元；接触应力

引言

封隔器在现场作业中，常常由于胶筒与套管接触应力的下降而导致坐封失效。为了防止这种现象的产生，人们研究了一种胶筒端部结构——防突环，称这种封隔器为防突封隔[1]。

随着钻采、完井工艺的不断发展以及井下工况的日趋复杂，对封隔器的性能提出了更高的要求。胶筒作为封隔器性能的关键，其结构的改进对封隔器密封性能的影响越来越备受关注。本文基于这种趋势针对改进后的Y341防突封隔器进行了有限元分析，得出了胶筒与套管的接触应力规律，其分析结果对改进胶筒结构具有指导意义。

1、计算模型的建立

Y341防突封隔器计算模型由中心管、胶筒、套管、隔环以及防突环组成，如图1所示。网格尺寸划分原则是：胶筒使用边长为4的四边形四节点二维实体单元，单元类型为PLANE42，中心管、隔环、防突环与套管均为42CrMn材料，选用边长为5的四边形四节点二维实体单元，单元类型为PLANE182。用面面接触单元CONTA172和TARGE169模拟胶筒与套管、胶筒与中心管、胶筒与防突环以及隔环和防突环间的接触。

通过试验测得上下胶筒和中胶筒的材料常数值，并采用Mooney-Rivlin的橡胶本构模型进行坐封仿真，其有限元计算模型的几何和力学参数如表1所示。根据实际工况下的受力分析，将套管与中心管进行固定约束，上隔环与封隔器本体相连，上隔环进行固定约束，胶筒之间隔环与下隔环进行X方向约束，Y方向自由约束。

2、Mooney-Rivlin模型

Mooney-Rivlin为变形张量不变量本构模型。该模型几乎能够反映所有橡胶材料的应力-应变关系，适用于拉伸应变约为100%和压缩应变约为30%的情况，但是该模型的缺点是不能够模拟多轴受力行为。根据不同的特定需求，ANSYS有限元分析软件配备有多种Mooney-Rivlin本构模型，这些模型的区别在于其二阶展开式的项数不一样。Mooney-Rivlin模型应变能密度函数[2]：

3、计算结果与分析

为模拟封隔器坐封过程中胶筒与套管内壁接触情况，分别向胶筒下端隔环施加4～14MPa轴向载荷，观察胶筒的变形情况。由计算结果可知，随着轴向坐封载荷增加，开始时由于中胶筒弹性模量相对较低，中胶筒首先与套管内壁接触，中胶筒与套管内壁接触后的摩擦阻力使得上胶筒所受到的轴向压缩载荷小于下胶筒的压缩载荷，故在中胶筒与套管内壁接触后，下胶筒先于上胶筒与套管内壁接触，并且随着轴向载荷增加和摩擦阻力不断增大，下胶筒的接触应力超过中胶筒的接触应力，最后上胶筒与套管内壁接触。坐封过程三个胶筒与套管内壁的接触压力与轴向载荷的关系如图2所示。

从图2可以看出，随着坐封载荷的增加，胶筒与套管之间的接触应力逐步增大。这是因为中胶筒的硬度低、弹性模量小以及接触面积大的特点，因此三个胶筒里中胶筒与套管的接触压力最大。尽管上下胶筒的材料和几何形状完全相同，由于从下隔环加压和摩擦阻力的作用，上胶筒的变形以及上胶筒与套管的接触压力均小于下胶筒。坐封完成以后，中胶筒的接触压力最大，下胶筒的接触压力次之，上胶筒的接触压力最小，所以封隔器中起关键作用的是中胶筒。

4结论

（1）胶筒坐封时，上中下胶筒的接触应力沿胶筒接触长度并不相同。

（2）在不同的轴向载荷下，三个胶筒的接触应力分布不同，但是中胶筒的接触面积始终最大，下胶筒次之，上胶筒最小。

（3）坐封时胶筒中部先与套管接触，然后逐渐向两端扩散，同时Y341防突封隔器的密封性能主要取决于中胶筒，中胶筒的接触压力越大，封隔器的密封性能越好。

参考文献

[1]张德彪，侯军，马卫国，蔡子龙.防突结构对封隔器密封性能的影响分析[J].石油机械，2010，38（12）：53-55.

[2]Qi ZHANG，Hao YANG，Yuguang WEI et al.Selection of Destination Ports of Inland-Port-Transferring RHCTS Based on Sea-Rail Combined Container Transportation[C].//Innovation and sustainability of modern railway： Third international symposium on Innovation and sustainability of modern railway （ISMR 2012）， September 20-21， 2012， Nanchang， China.2012：675-680.

[3] Bin LI，Simao Zhang.Contact pressure research of drill pipe and packer of rotating blowout preventer[C].//Frontiers of manufacturing and design science II. Part 1.2012：3177-3181.

[4] Mooney R.A theory of large elastic deformations[J].J Applphys， 1940，11：582-592.

[5]李晓芳，杨晓翔，王洪涛.封隔器胶筒接触应力的有限元分析[J].润滑与密封，2005，（5）：90-93.

[6]劉天良，施纪泽.封隔器封隔时胶皮筒接触应力的模拟试验研究[J].断块油气田，2001，7（4）：51.

作者简介

张廷，1984年，男，湖北襄阳人，汉族，助理经济师，硕士，现主要从事石油钻采设备销售.