摘要：研究了封隔器胶筒失效形式的相关文献，总结了封隔器胶筒的失效原因，并综述了封隔器胶筒优化设计的研究现状。封隔器胶筒肩部包络紫铜的新型胶筒与常规胶筒相比突出距离降低了63.35%；双胶筒改进为“主胶筒+双侧支撑”的新的组合结构，耐压差性能平均提高30 MPa；以丁腈橡胶、聚四氟乙烯为基体材料进行补强应用于封隔器胶筒中，优化后的封隔器胶筒在170℃以上的高温下能够保持良好的密封性能；给中心管外表面喷涂氧化锆陶瓷隔热涂层，胶筒在350℃下有良好的密封性能。封隔器胶筒中填充尼龙66帘线，在压裂泵压80 MPa、175℃环境下，胶筒基体不发生破坏。3种优化方式能够有效提高胶筒的耐温耐压性能，防止胶筒失效破坏。最后给出封隔器胶筒优化的研究方向，对今后封隔器密封元件的研究工作有一定的参考意义。
关键词：封隔器胶筒,失效形式,橡胶改性,结构优化
0引言
随着人类对能源需求的与日俱增，我国对深层油气资源需求也不断增长。高温高压深井对井下工具提出了更高的要求[1]。在高温高压下，井下工具会发生变形、破裂、断裂等失效形式。封隔器是进行油田分采、分注、多级分段压裂等特殊作业时必不可少的井下工具[2]。然而随着近年来高温高压深井的开发，封隔器失效引起的事故屡有发生。2007~2008年，锦州油田因封隔器失效导致油井作业36井次，占作业井的9.3%，由此导致的作业费用180余万元，影响产量2 500 t[3]。中石化塔河油田2011~2018年入井封隔器307套，完井封隔器以SHR-HP和PHP-2为主，失效29套，成功率90.55%[4]。顺北油田共完成58次完井试油作业，发生9井次油管窜通，成功率仅为84.48%[5]。这些封隔器失效引发的事故造成的损失是难以估量的，因此对于封隔器失效问题亟待研究。封隔器胶筒犹如封隔器的心脏，胶筒的密封性能能够直接影响井下封隔器的密封效果[6]，许多学者发现胶筒与套管或者井壁之间的接触应力不足导致这些作业失败，增强封隔器胶筒耐温耐压性能能够有效提高作业成功率，分析影响密封单元的密封性能因素对于保证封隔器的有效工作有重大的意义。
本文研究概述封隔器胶筒的失效形式，并针对封隔器胶筒的失效原理进行分析。为提高封隔器胶筒的耐温耐压性能，对封隔器胶筒的肩部优化、结构设计和内部优化3方面的研究现状进行分析，不同方法的优化改进对后续的研究发展有一定的帮助。
1研究现状
高温、高压、超深井、深海井等完井作业的不断发展对封隔器的性能提出了更高的要求。随着井下工况变得越来越严苛，封隔器密封失效事故时有发生，造成经济损失，威胁人员安全。胶筒是封隔器实现密封封隔功能的核心部件之一，其力学性能直接决定了封隔器的坐封效果和密封性能[7]。针对封隔器密封胶筒，许多学者做了研究，以期了解其失效模式，通过胶筒结构和材料改进，提升封隔器的密封可靠性。
在探索密封胶筒的力学性能过程中，最初的尝试是基于经典物理知识，通过理论计算得出胶筒的各项参数，以评估其性能。曾宪平[8]从胶筒中截取了一个单元六面体，利用弹性力学的知识推导了压缩式封隔器胶筒的变形微分方程。初步为封隔器选择胶筒提供了一个理论依据。邓雄等[9]利用拉梅公式及空间轴对称问题的弹性力学解，获得了胶筒的径向位移表达式。但是随着井深的增加，此方法得出的结果与实际相差较大，只适用于浅井中两端受到限制的封隔器胶筒分析。仝少凯[10]以弹性力学、材料力学及管柱力学理论为基础对超深高压气井RTTS试油封隔器的强度安全性及施工参数控制技术进行了分析。采用极坐标法和逆解法推导出坐封工况下自由变形和约束变形阶段胶筒的应力场、应变场及位移场公式，得到生产过程中胶筒与套管间接触应力和极限密封压力计算公式。党黎明等[11]采用力学基本理论和橡胶大变形本构关系推导了封隔器多组不同硬度胶筒坐封过程中压缩量和接触压力计算公式，利用微元法和载荷迭代法描述了胶筒自由变形、单向约束变形和双向约束变形3个阶段的变形情况。
然而封隔器密封胶筒的材料为橡胶，属于非线性材料，理论研究难以获得胶筒在工作中复杂的力学行为的解析解。随着数字化仿真软件的发展，有学者发现基于理论计算模型结合数值模拟可以得出更为准确的结果。范家齐等[12]基于势能驻值原理，采用整体拉格朗日法，建立适用于橡胶材料的大位移和大应变的增量形式的非线性有限元混合法的计算列式，并编制了程序，用四结点四边形等参数环元，对受均匀内压无限大厚壁圆筒进行计算。练章华等[13]根据封隔器的结构特点及其工作原理，用VB程序开发了压缩式封隔器、扩张式封隔器和套管外封隔器在坐封过程中，各部件之间接触问题的有限元计算力学模型。李晓芳等[14]通过实测封隔器所用橡胶材料的应力应变数据，在ANSYS有限元分析软件中用超弹性本构模型对实验数据进行拟合，通过比较选择了能更精确描述封隔器胶筒的应力应变关系的Yeoh模型，进而对封隔器压缩式胶筒的接触应力进行了数值模拟，得到接触应力沿轴向的分布情况。吴健等[15]建立了常规高压封隔器密封胶筒的有限元分析模型，分析计算了不同轴向压力下胶筒的变形和应力变形情况。结果表明，对于三单元胶筒系统，最上面的胶筒承受的力最大。
随着石油开采向着地层深处进发，高温、高压、腐蚀性苛刻工况相继出现。数值模拟参数的不准确性，使得结果偏差越来越大。因此，后来的研究者们为更贴合实际情况开始设计封隔器坐封解封实验，结合数值模拟结果，以研究此过程中胶筒的力学性能变化。岳澄等[16]研制了一种高温封隔器测试装置，应用高温电阻应变测试技术与有限元相结合的方法，研究了油井高温封隔器胶筒与石油套管内壁接触压力大小和分布规律。徐兴权等[17]依据国家标准设计实验，测定了不同胶筒材料在不同温度下的应力应变曲线，为封隔器有限元仿真计算提供所需的数据。刘春雷[18]针对封隔器工作状态参数测试问题，研制了封隔器工作状态测试系统。采用管线连接模拟井和液压源。通过变换阀门开关的顺序，模拟封隔器在井下的工作状态。由控制系统完成模拟状态下封隔器相关参数的测试，实现了数据的采集、存储、查询与打印功能。刘传刚等[19]设计了一种可进行压缩密封试验的机械液压密封试验装置。该装置与一个或多个橡胶筒相结合，可实时锁定并快速排放，预装压缩行程，并能实现上下环密封的双向监测功能。
封隔器坐封实验能够极大程度上模拟井下工况，包括各种复杂苛刻工况。但是每开展一次实验的耗资巨大，并且实验设备也非常昂贵。因此研究者通常会依据理论计算的结果来设置数值模拟的参数进行仿真，然后通过实验来验证数值模拟的准确性，最后再使用数值模型合理外推来获得研究结果。
2封隔器胶筒优化设计
为提高封隔器胶筒的密封性能和抗压能力，需要对封隔器胶筒进行优化设计。研究者们基于封隔器胶筒的失效原因分析，提出了改进封隔器胶筒、优化管柱设计和加强作业管理等多项防治措施[20-22]。针对封隔器胶筒优化主要有胶筒肩部优化、胶筒结构的设计、胶筒的材料优化。
2.1胶筒肩部优化
坐封载荷过大会使胶筒外壁与隔环处产生“肩突”现象，胶筒容易被撕裂损坏，造成封隔器密封失效。针对胶筒的肩突现象，王国荣[23]设计了一种新型防突装置，用不同材料对防突装置进行硫化，结果发现紫铜、铝合金、碳素结构钢3种防突材料均能有效减小突出距离，并且突出距离依次减小，新型防突装置与常规胶筒相比突出距离降低了63.35%。刘松[24]对封隔器胶筒外层包络紫铜，在坐封压力30 MPa下，改进后的封隔器胶筒中部与传统封隔器胶筒相比，最大接触应力明显大于常规胶筒，包络紫铜的新型封隔器结构能够承受较大坐封压力。高敏[25]在胶筒肩部增加黄铜装置和四氟乙烯装置，在170℃和密封压差55 MPa条件下进行15 d实验，中间胶筒表面完好无损，两端胶筒肩突现象明显减小，胶筒肩部增加黄铜和四氟乙烯可以有效避免“肩部突出”，还可以减少胶筒的残余变形和免受油气侵蚀。侯宗[26]设计了一种独立式膨胀环新型“防突”结构，由膨胀环与楔形圈组成，膨胀环用弹簧钢制作，并开有一道25°的切口，楔形圈用45号钢制成。在注水压力达38 MPa下进行实验，平均换封周期由原来的141 d延长到276 d，能够满足生产需求，减小肩突现象。张辛[27]将封隔器结构改进为双胶筒结构，并在胶筒外层包络1层厚度2 mm的紫铜。与常规胶筒相比，不仅节省材料，而且减少了制造工艺。经有限元模拟分析表明，改进后的双胶筒结构接触应力大于常规胶筒，密封性能也更好。
设计新的防突装置与胶筒端部包络紫铜能够有效防止封隔器胶筒肩部破坏。根据井下条件对防突件的材料、厚度、安装位置进行优选能够有效提升胶筒的抗压能力，防止封隔器胶筒的失效。
2.2胶筒结构设计
在胶筒结构设计方面，研究者们也开展了大量研究。张付英[28]讨论了梯形环槽型、半圆环槽胶筒和圆筒型胶筒3种类型胶筒的变形稳定性。在高载荷下，有支撑环的胶筒轴向位置中心与套管内壁完全贴合，能够达到封隔器长时间密封要求，梯形环槽型胶筒比半圆环槽型胶筒更容易保持稳定。南荣丽[29]将扩张式胶筒与压缩式胶筒进行组合有限元分析，在15 MPa的坐封压力下，密封压差达到30 MPa，扩张-压缩式组合密封的密封压差比单一扩张式封隔器高出50%，能够有效降低封隔器的坐封力，并且承压能力比单个密封元件有所增强，密封效果更好。对RTTS封隔器耐温耐压不足的问题，程莹等[30]将双胶筒结构改进为“主胶筒+双侧支撑”的组合结构，通过模拟和实验分析，新的结构可有效解决胶筒密封性能差的问题，耐压差性能平均提高30 MPa。并以耐高温的Aflas氟橡胶为基础材料，研制出193.77 mm封隔器的耐高压高温胶筒，将改进后的封隔器在塔里木库车山前进行现场实验，满足酸性、含H2S水、原油、天然气介质的工作环境，密封性能完好。李斌[31]提出了一种新型压缩式裸眼封隔器四胶筒组合的密封结构，并采用Abaqus分析了接触应力分布规律，结果表明，新型四胶筒组合封隔器能更加有效的将坐封压力传递给密封胶筒，提高胶筒的抗压能力。王晓龙等[32]将常规封隔器胶筒设计为分段式胶筒，中胶筒与上下胶筒的接触面设计为斜面。在20 MPa的坐封载荷作用下，新型胶筒与套管壁间最大接触应力、平均接触应力、密封系数与常规胶筒相比分别提高了47.19%、20.71%和2.31%，最大剪切应力降低了34.3%。分段式胶筒的改进不仅能够提高封隔器的密封性能，也能减小胶筒撕裂的风险。
综上，封隔器胶筒结构改进能够有效提升胶筒的密封性能，组合式密封结构的承压性明显优于单个密封元件。虽然胶筒的结构改进能够适应更多复杂的井下环境，但高温带来的密封问题仅依靠结构改进无法完全解决。
2.3胶筒内部优化
随着油气井开采深度的增加，对胶筒的耐高温性能提出了更高的要求。为进一步提升胶筒的承压及密封性能，研究者们针对胶筒的材料开展了研究，包括单纯的橡胶材料优化与复合材料结构胶筒两类。
2.3.1胶筒橡胶材料优化
橡胶材料做为封隔器胶筒的主要原材料，封隔器胶筒的材料改性重点从耐高温橡胶材料的改性入手。其中，橡胶分子结构对橡胶耐高温性能起决定作用，故生胶的选择对提高橡胶材料的耐高温性能至关重要。具有极性基团的橡胶材料通常会有更好的耐高温性能，这是因为极性基团在分子结构中引入了偏极性键，增加了橡胶材料的相互作用力，从而提高了其热稳定性和抗氧化性能[33]。此外，橡胶的耐高温性能也受到化学键的影响，在橡胶分子中的化学键键能越高，硫化胶的耐高温性能越好[34]。
丁腈橡胶（Nitrile Butadiene Rubber，NBR）的性能较好，应用范围较广，但是丁腈橡胶中不饱和键含量较高，在氧气、臭氧等的环境下，不饱和键会参与橡胶的热氧老化反应，限制了丁腈橡胶在一些极端条件下的应用。针对这一情况，研究者采用选择性加氢的方法制备的氢化丁腈橡胶[35]，经过加氢作用，使丁腈橡胶（NBR）分子链中的聚丁二烯链节上的双键达到饱和，赋予聚合物良好的耐热性、耐候性以及抗臭氧等特性[36]，获得高性能的氢化丁腈橡胶（Hydrogenated NBR，HNBR）。武守鹏[37]以氢化丁腈橡胶为基体材料，采用单甲基丙烯酸新锌（ZMMA）作为补强剂对氢化丁腈橡胶复合材料的性能进行了深入研究。采用高性能氢化丁腈橡胶复合材料加工出封隔器胶筒，在高温高压井下工况模拟实验中表现出优异的力学性能、耐高性能和耐高压性能。安百新等[38]以甲基丙烯酸锌增强的改性氢化丁腈橡胶复合材料优化设计出了接触应力沿轴向均布的组合结构胶筒，该胶筒所能承受的最大接触应力较常规胶筒提高近30%，且受力分布均匀，在胜利油田的现场使用表现出良好的性能。聚四氟乙烯（PTEM）是一种聚合物材料，具有非黏性、耐化学腐蚀性和高温稳定性等特点，广泛应用于航空航天、石油化工等领域[39]。陈俊国等[40]以聚四氟乙烯为基体材料制备胶筒，研究了力学性能不同的填充剂和添加剂对聚四氟乙烯的改性情况，通过正交试验法，确定耐高温高压多元复合材料最优配比为73%聚四氟乙烯树脂+15%纤维类增强填充剂+7%非金属类润滑填充剂+5%金属类耐磨导热填充剂，明显改善了聚四氟乙烯导热性能、力学性能、回弹性能。
以丁腈橡胶、聚四氟乙烯为基体材料进行补强，并应用于封隔器胶筒中，能够有效提高封隔器胶筒的耐温耐压性能，能够在170℃以上的高温下保持良好的密封性能。刘传刚等[41]提出给中心管外表面喷涂氧化锆陶瓷隔热涂层来减少从中心管传递到外层的热量，从而降低胶筒的工作温度，使其达到密封要求。经过高温试验证明，喷涂隔热涂层后，所设计的耐高温三胶筒结构在350℃下有良好的密封性能。但热量从高温侧传递到低温侧是必然的自然规律，在复杂的流体流动及散热环境下，增加隔热涂层方法在长时间下的有效性有待进一步考证。
2.3.2复合材料结构橡胶
除了单纯地对橡胶材料进行改性之外，在胶筒内部增加钢带、帘线以及其他功能材料也可以提升封隔器胶筒的承压性能。陈德敏[42]针对现有的煤层水力压力封孔方式存在的问题，将石油天然气行业压裂用扩张式封隔器引入煤矿井下水力压裂封孔中，在内外胶筒之间增加钢带层，在胶筒内部增加进液孔，环氧树脂可通过进液孔钢进入钢带层，通过增加胶筒的夹持力，提高锥套和胶筒的结合强度。现场试验结果表明，改进后的封隔器可重复多次利用。岳欠杯[43]在扩张式封隔器胶筒填充尼龙66帘线，在压裂泵压为50~80 MPa下，开展单根拔出实验，基体未发生剪切撕裂破坏。井温175℃时胶筒基体未发生剪切撕裂破坏，且密封状态良好。在胶筒中加入钢丝帘线能够满足大变形和高承压需求，胶筒承压胀封后残余变形大，胶筒边缘部分出现裂纹，造成解封失败。将单一钢丝帘线改进为钢丝+芳纶组合帘线式[44]，经过现场试验，胶筒在温度120℃、压力70 MPa的条件下都能够完成10次的坐封和解封动作。钢丝+芳纶组合帘线式胶筒的残余变形量小于3%，钢体未发生扩径。章娅菲等[45]提出蜂窝骨架纳米流控封隔器胶筒，利用蜂窝骨架高比强度的力学性能和纳米流控系统独特的温变、压变特性，消除封隔器胶筒的肩部应力集中问题，平衡井下温度及压力波动带来的接触应力变化，提高密封可靠性。实验研究表明，MFI型沸石-甘油/水配方可作为新型封隔器胶筒材料的填充配方，所获得弹性材料的压力阈值随着温度的升高而降低，其独特的压力传递性能可消除封隔器胶筒肩部应力集中[46]。通过调整纳米流控系统的配方与蜂窝骨架的结构，弹性材料的力学性能在很大范围内可调，适用于多种复杂工况。
综上，在胶筒内部优化能够有效提升胶筒的强度，更好地防止胶筒的失效破坏。随着材料科学和加工技术的发展，胶筒的内部优化将有更多的可能。
3结束语
本文对封隔器失效原因进行了分析，针对封隔器密封元件失效进行研究概述，并对封隔器密封元件的失效原因进行分析，从胶筒的肩部优化、结构设计和内部优化3个方面进行论述。采用紫铜、铝合金、碳素结构钢3种防突材料均能有效减小突出距离，肩部包络紫铜的新型胶筒与常规胶筒相比突出距离降低了63.35%。双胶筒改进为“主胶筒+双侧支撑”的组合结构，耐压差性能平均提高30 MPa。扩张式与压缩式胶筒组合使用，在15 MPa的坐封压力下密封压差能达到30 MPa，有效降低封隔器的坐封力，并且承压能力优于单个密封元件。以丁腈橡胶、聚四氟乙烯为基体材料进行补强应用于封隔器胶筒中，封隔器胶筒能够在170℃的工况下，保持较好的密封1个月以上，采用给中心管外表面喷涂氧化锆陶瓷隔热涂层，能够减少从中心管传递到外层的热量，胶筒在350℃下有良好的密封性能。封隔器胶筒中填充尼龙66帘线，胶筒在压裂泵压80 MPa、175℃环境下基体不发生破坏，且密封状态良好。
封隔器胶筒优化设计对超深井的发展有重要意义。未来封隔器胶筒的优化依然集中在材料和结构两个方面。硅橡胶、氟橡胶和丁腈橡胶具有良好的耐高温性能，对橡胶配方的改性研究是未来的重点发展方向，对提高采油效率具有重要意义。国内自主研究镍钛超弹合金材料作为金属封隔器的密封件，具有耐高温、耐腐蚀的优点[47]。因此，金属材料有望代替橡胶材料作为封隔器的密封元件，对金属材料的探索需进一步结合油气田作业工况，开展更具针对性的研究，开发最优化产品。新型结构材料的研发也将为提升胶筒的耐温抗压性能提供新的出路。同时，在满足胶筒大变形和高承压需求下，探索出最优的组合结构对井下工具的发展具有重要意义。将封隔器胶筒的材料优化与结构优化相结合，有望研发超高温超高压封隔器胶筒，解决我国高性能胶筒主要依靠进口的“卡脖子”难题。
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