浅谈扩张式密封元件设计

图 2-5 胶筒变型时帘线回转角确定图
EBiblioteka Baidu 、 FA —变形前轮廓线； E B 、 F A —变形后轮廓线； AB A B —帘线的非变形部分
经分离积分变量和根据条件（即 ri Ri，i P )求得积分常数之后，方程 2
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（2-4）可以变为下列关系式：
r r 2 Ri2 P0 sini i (1 i (i ) ) 2 Ri Tm 0 Ri
图 1-4 扩张式胶筒端部结构 1—中心管；2—接箍；3—内接头；4—盘根；5—软金属锥体； 6—外胶套；7—内胶套；8—纤维骨架 表 1-1 帘布主要性能指标
表 1-2 水力扩张式密封元件主要参数
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图 1-5 另一种扩张式密封元件的端部结构
图 1-6 水力压差式密封元件
另一种形式的肩部结构（见图 1-5）依靠水力楔入作用，以及利用粘性流体 对加强筋与环形锥体间的粘合力来提高胶筒肩部的固结强度。 这种扩张式密封元 件主要由内胶套、外胶套和加强筋（钢丝编织物）三大部件组成。加强筋的端部 装在环形锚定件的锥面和锥体的锥面之间。 锚定件的丝扣端与环形活塞的丝扣相 连接。椎体可在环形活塞内上下滑动。当锚定件与活塞之间上好扣之后，加强筋 就被加紧在两个锥面之间。 接着经进液孔挤入一定流体————环氧树脂进一步 挤压椎体，迫使它朝锚定件移动，借以增加对加强筋的夹持力。并且注入压力一 直保持到树脂硬化为止。 随后再经另一进液孔补充挤入环氧树脂与加强筋和锚定 件斜面之间的空隙，进一步加固提高加强筋与锚定件的结合强度。 图 1-6 为水力压差式密封元件。其上端与金属头硫化在一起，下端有一自封 “舌头” ，非固定的紧箍在中心管上。当密封元件内建立其剩余压力时， “舌头” 就紧贴中心管壁，形成密封。考虑到胶筒底部在工作时承受很大的拉力，胶皮比 较厚。这种胶筒需要附加节流装置，以便形成 0.3-0.5MPa 的开启压力。 国外一致认为认为，扩张式密封元件设计结构太复杂制造难度大，使用上有 一定的局限性。这也是扩张式密封元件的不足之处。
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一、扩张式密封元件结构分析
扩张式密封元件工作时，经充填介质将压力传给井壁。作用于扩张式密封元 件端部面积上的外部压力传递到内部较小的端部面积上， 使得膨胀液的压力总是 大于外部压力，从而使胶筒紧贴井壁，防止封隔器上下窜动。 设计中，提高扩张式密封元件的工作性能主要是从两个方面入手：一是采取 加强措施，提高胶筒自身的抗张、抗疲劳强度；二是提高胶筒端部的固结强度。 装有这类密封元件的扩张式封隔器在美国广泛使用。 例如莱因斯公司生产的扩张 式封隔器，可适用于裸眼井或套管中进行永久或临时性封隔，用于增产、测试、 采油（气） 、注水等多种作业。膨胀液借助一种三重密封单流阀被保留在元件腔 体内。通常，扩张式密封元件的密封系数变化大，可适用于多种困难作业。密封 元件普遍采用了加强措施（如图 1-1 所示） 。此种密封元件是由外套、金属加强 筋和内套组成的高弹性胶筒。金属棉线硫化于胶筒内且具有一定强度，能承受一 定的压力。这种扩张式密封元件有光面和硬渣敷面两种。若需要多次坐封时， 采 用光面胶筒，这样寿命要长一些。在不能使用卡瓦封隔器的套管中或底层坚硬的 井段，可以使用硬渣敷面的胶筒。现场使用表明，这种元件能牢固的锚定在裸眼 井段或套管中，在膨胀限度内能贴合不规则的井壁。
2 1 2 1
, (i 1,2)
（2-4）
因为
1
1

di di d cos i (sin i ) dSi dri dri ri cos 2 k , (i 1,2) Ri
（2-5）
cos1
（2-6）
式中 2 k ——在半径为 Rb 的胶筒中，帘线与周向的夹角（图 2-5） 。
引入
3 2 i
2 (1)i Rh exp ( 1 ) , (i 1,2) 2 2 ri 2 cos 2 k
（2-7）
(i ) Ra ri Tm K ; K1 ; xi 0 ; (i 1,2) Rb Rb P0 Ri
（2-8）
和A
1 ，并将式（2-7）代入式（2-1）求得： 2 K cos 2 2 k
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二、扩张式密封元件的力学分析
由于扩张式封隔器具有结构简单、加工容易、封隔可靠以及以及密封数大等 优点，在各大油田分采、分注中也得到越来越广泛的应用（图 2-1） 。
图 2-1 扩张式封隔器工作原理图
显然， 探讨和弄清楚扩张式密封元件工作时的力学特性也是很重要的。 但是， 目前有关这方面的理论文献还不多， 缺少可靠的计算方法来确定扩张式帘线胶筒 的工作能力， 既未能找出封隔器和井筒的许多参数间的关系，也未能确定胶筒腔 体内外间的许用压差和胶筒帘线所必需的强度。 应当指出， 密封元件外表面与井筒之间的间隙在一定程度上决定了腔筒的应 力-应变状态特征，并且决定了封隔器在井下工作的可靠性。 在此， 我们试图通过扩张式胶筒的端部受最大载荷时的变形状态，来确定胶 筒帘线受力与封隔压差之间的关系。谈论中我们需要做一些假设，并列出了以下 有关封隔器处在内压作用的工作过程，其胶筒端部的受力平衡方程式。胶筒的工 作状态是这样的， 他的端部刚性地固结于金属钢碗内， 中间部分悬贴在井壁上 （受 压端） 。因此，胶筒端部受内压时是不会产生径向变形的，只有中间部分在低压 下才产生径向变形，直至贴紧井壁。 为了便于分析起见，将这种胶筒划分为三个特征段：固结段、肩部和受压段
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（图 2-2） ，在半径为 RaRb 的圆柱体上及通过圆锥体的 M 1 、 M 2 二点，分别将胶 筒横切成几个区段进行研究（见图 2-3 和图 2-4） 。
图 2-2 扩张式胶筒受力状态
图 2-3
图 2-4
将所有加在分析区段上的力投影与对称轴上， 即可求得 M 1 、M 2 二点处的纵
(1) ( 2) 向力 Tm 和 Tm 。从力的分析中得平衡方程式： (i ) (i ) 2Tm0 π Ri 2 π riTm cos(90o i ) P0 π ( Ri2 ri 2 ) 0 (i ) (i ) 2 π riTm sin i P0 π ( Ri2 ri 2 ) 2Tm0 π Ri (i ) P0 π ( Ri2 ri 2 ) 2Tm0 π Ri ， (i=1,2) 2 π ri sin i
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图 1-4 所示的是一种与电缆地层测试器配套的扩张式封隔器的端部结构。 这 种 封 隔 器 的 密 封 系 数 K=1.15-1.4 ， 比 目 前 所 用 的 机 械 式 封 隔 器 的 K 值 （K=1.1-1.2）要高。中心管上拧有内接头 3，接箍 2 上有许多内环形凹箍，用 以保证骨架与封隔器壳体可靠联接。盘根 4 封住周围液体。为了防止组装时损伤 内层胶 8，采用软金属锥体 5。胶筒是一种带有封填的胶套，由外套 6 和内套 7 组成（材料为丁腈橡胶） ，其间布有纤维骨架 8，这种骨架由许多双层的聚酰胺 布帘构成。 布帘以彼此相反的方向按一定的安放角度缠绕。布帘的主要性能指标 如表 1-1 所示。成型胶筒的主要参数列于表 1-2。
(i ) Tm
(2-1)
式中 P0 ——作用于帘线上的分布力的径向分力（内压力） ；
ri —— M i 点距离对称轴的距离；
1 ——在 M i 点上指向胶筒表面的法线与对称轴之间的夹角
(i ) 产生于胶筒肩部的纵向 Tm 0 ——在半径为 Ra 和 Rb 圆柱状胶筒的边界截面上，
力。
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下面研究两个无限小胶筒单元的方程式，求得
i T((t i)) Tm tan 2 i
（2-3）
式中 i ——帘线与周向的夹角。
(i ) 从方程（4-69、4-70、4-71）中消去 Tm 和 Tt (i ) 得
i 1 （ - 1）
1
i

tan 2 i sin 1 ri
2ri sin i T (i ) r R 2 Ri m 0 P0
图 1-2 表面贴有打印胶片的胶 筒断面图（1、2、3 为帘线层）
图 1-3 有覆盖胶的胶筒 （1、2、3 为帘线层）
另外一种套管外扩张式封隔器也采用类似的补强措施。 胶筒由内外两层胶皮 组成，其间有加强层，以保障一定的弹性条件下高强度。加强层为卡布隆胶布， 沿螺旋线缠绕于胶筒的内表面，两层反向缠绕的帘布层组成双加强层，以提高胶 筒的牢固性。 如前所述， 扩张式密封元件的肩部是影响封隔器工作性能的薄弱环节。改进 胶筒的端部结构， 增强端部的刚度和强度对于提高扩张式封隔器的工作性能极为 重要。
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前言
石油工业的兴起和发展，伴随着封隔器的问世和演变。据记载，世界上最早 使用的封隔器，是美国的“种子袋”封隔器，由早期的油田经营者 J ．拉夫纳
兄弟等人开始应用。早期的封隔器，结构简单，用途单一，性能低下。后来又相 继发明了裸眼封隔器，正反扣螺栓式封隔器，尾管式封隔器和双管封隔器等许多 新式封隔器。 封隔器是指用来密封环空（或）隔离目的的层段，控制注入或采出流体， 并 能承受压差的井下工具。封隔器的密封和隔离功能主要依靠密封元件来实现。 有 人把密封元件比作封隔器的心脏， 因为它在很大程度上影响甚至决定着封隔系统 在井下工作的成败。扩张式密封元件正是重要的密封元件之一。 我国扩张式密封元件市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励 扩张式密封元件产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目逐渐增多。 投资者对扩张式密封元件市场的关注越来越密切， 这使得扩张式密封元件市场越 来越受到各方的关注。 本文侧重扩张式密封元件结构分析和力学分析两个大的方面对扩张式密封 元件进行细致研究。 主要通过定性分析和统计数据定量分析来揭示扩张式密封元 件的结构特点、存在问题，在此基础上提出相应的建议。 第一时间准确获得新技术， 是企业领先竞争对手的关键，希望通过本文可以 为以后新的井下工具研发提供依据，通过制定产品竞争战略，在激烈的市场竞争 中取得优势。 本论文只是个人对扩张式密封元件较简单的分析，不可能完全尽善 尽美的反应实际问题，肯定存在不足的地方，只供相关人士参考。由于个人力量 有限，在分析和统计时难免会有疏漏，希望广大同行批评指正。
浅谈扩张式密封元件设计
王林军 东营明德石油科技有限公司
摘要：扩张式密封元件作为扩张式封隔器的核心部件，对封隔器的封 隔能力起着极其重要的作用。 它的优劣直接关系到封隔系统在井下工 作的成败， 所以对扩张式密封元件的研究越来越得到封隔器设计者重 视。 本文是从扩张式密封元件的机械结构和力学分析两个大的方面来 探讨扩张式密封元件的设计， 想通过定性分析和定量计算相结合来挖 掘设计中可能遇到的问题，并且提出合理设计建议，希望能为以后设 计提供参考。 主题词：封隔器 扩张式密封元件 结构分析 力学分析 帘线
i 1 （ - 1） i Tm
i

Tt (i ) sin 1 P0 , (i 1,2) ri
（2-2）
式中 —— M i 点经线的曲率半径； （ i i 1,2）
Tt (i ) ——周向力； sini —— M i 点法向截面的曲率半径。 ri
因为是橡胶棉帘线胶筒，因此还符合下述条件：
1—可膨胀钢支撑套 2—弹性胶套 3—柔性钢加强筋 4—内胶套
图 1-1 扩张式胶筒
由于反复膨胀和收缩以及起下作业会促使弹性胶筒表面磨损， 弹性胶筒必须
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经得起多次膨胀和起下操作；而且要求封隔器最好可以在现场修复（及密封套筒 可以截断或更换） 。一种可胀弹性胶筒（见图 1-2 和图 1-3）布有尼龙帘布层， 帘布层有许多纵观胶筒全长、彼此隔开并能伸长的帘线组成。帘线直径 0.02-0.05 英寸。胶筒筒体中以三层帘线为宜。通常每一帘布层上每英寸沿周向 约有 20-40 根帘线。应用中发现，以每英寸布 33 根为最好。图 1-2 中，可伸长 的尼龙棉线层 1、2、3 夹在胶层中的外半部。当胶筒外表贴打印胶片时，最好采 用这种帘线配置方式。图 1-3 中，帘线层 1、2、3 夹在胶层的中部，当胶筒外表 不贴覆胶盖时，建议采用这种结构。