2. 西南石油大学 石油天然气装备教育部重点实验室, 四川 成都 610500;
3. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 井下作业公司, 四川 成都 610051
2. Key Laboratory of Oil and Gas Equipment of Ministry of Education, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. Downhole Operation Company, Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, China National Petroleum Corporation, Chengdu 610051, China
封隔器是油气田分层开采中重要的井下工具[1]。封隔器按实现密封的方式可分为自封式、压缩式、扩张式和组合式，其中压缩式封隔器是靠轴向力压缩胶筒，使胶筒外径变大从而实现密封[2-3]。胶筒犹如压缩式封隔器的心脏，是实现封隔器封隔压差的元件[4-6]。胶筒的耐温、耐压性能是衡量胶筒质量的重要技术指标[7]。胶筒的耐温性能主要与胶筒的材料有关，其耐压性能除了与胶筒的材料、结构有关，“防突”装置的设计也对其有着重要的影响，特别是胶筒用于大间隙、高压差的封隔时。所谓防突，就是在胶筒端部安装阻挡件、支撑件、限制件和保护件等，用以阻止和限制封隔器坐封后橡胶材料在压差的作用下从间隙被挤出而导致密封失效，从而达到提高和保持接触应力，维持密封能力的目的[8]。
由于地应力、轴向应力变化，以及套管外挤压力大于内压力等因素的作用，套管会发生缩径、挤扁或弯曲等变形[9-10]，当变形导致套管内径变化较大时，正常尺寸规格的封隔器难以下入，因此需要下入小尺寸的封隔器，此时封隔的间隙变大，若无防突装置或防突装置的防突能力较弱，可能会降低封隔压力甚至导致密封失效。封隔器下入变形套管示意图如图 1所示。
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| 图 1 封隔器下入变形套管示意图 Fig.1 Schematic diagram of seating packer dropped into deformed casing |
目前投入应用的防突装置主要有铜碗固化型和铜网(带)固化型两种，分别是将厚2 mm左右的铜碗或厚1 mm左右的铜网(带)在胶筒成型的过程中固化在胶筒的一端[11]。在封隔器坐封的过程中，铜碗或铜网(带)向环空间隙翻转从而罩住间隙，但此类防突装置的刚度较小，只相当于增大胶筒座半径2~3 mm，防突能力有限，且在胶筒压缩过程中铜碗或铜网(带)易与胶筒分离，甚至撕裂或割伤胶筒，缩短封隔器的使用寿命。[12]针对传统防突装置的不足，本文设计了一种新型伞式防突装置。
1 防突装置对胶筒密封性能影响为了研究防突装置对胶筒密封能力的影响，通过有限元软件对胶筒在大间隙工况下(环空间隙为9 mm)无防突装置、使用部分防突装置(增加胶筒座半径2~3 mm)和使用完全防突装置(完全罩住环空间隙)时的受力和变形进行了对比分析。从图 2可以看出，无防突装置时，在压差的作用下，胶筒上部分外突严重，最大Von Mises应力值达到56 MPa。使用部分防突装置后，胶筒座半径增大，受力得到改善，但是胶筒上仍有部分通过未罩住的环空间隙向上突出。胶筒增加完全防突装置后，由于防突装置完全罩住环空，有效防止胶筒上突和改善胶筒的受力，胶筒的应力明显降低。图 2(c)是胶筒与套管壁接触应力的分布情况，从图中可以看出：无防突装置时，胶筒的接触应力最低，封隔能力最弱；增加部分防突装置后，胶筒与套管壁的接触应力明显增大；配备完全防突装置的胶筒的接触应力最大，密封能力最强。
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| 图 2 胶筒密封性能对比 Fig.2 Comparison of rubber sealing performance |
通过以上分析，可以看出完全防突装置可有效防止胶筒突出、改善胶筒的受力和提高胶筒的封隔能力。本文设计了一种完全防突装置，此种防突装置呈伞型，如图 3所示，包括滑环、连杆、弹簧、外翼板、内翼板、挡环、限位套筒等零部件。内、外翼板通过销钉连接在挡环和连杆上，连杆通过销钉连接在滑环上，从而组成曲柄滑块结构。内翼板和外翼板沿挡环四周交叉分布，弹簧和限位套筒安装在滑环和挡环之间，弹簧有一定预压缩。封隔器坐封前，内翼板和外翼板收起，保持封隔器的外径处于最小状态，保证封隔器能顺利下入井内。当封隔器坐封时，滑环向下移动，通过连杆推动内翼板和外翼板向四周展开，罩住封隔器与套管之间的环空间隙，同时滑环移动一段距离后通过限位套筒将力传递至挡环从而挤压胶筒膨胀封隔环空。内、外翼板交叉分布，展开后相互重叠可保证无缝隙存在，阻挡胶筒从环空挤出，达到胶筒防突目的。封隔器解封后，在弹簧的作用下滑环向上运动，内、外翼板收起，封隔器的外径恢复至最小状态，保证封隔器顺利取出。
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| 图 3 伞式完全防突装置结构 Fig.3 Structure of umbrella complete anti-extrusion device |
将防突装置进行简化得到其机构简图，如图 4所示。简化后，滑块对应防突装置中的滑环，杆lbc对应防突装置中的连杆，杆lab对应防突装置中的翼板。图 4是防突装置处于初始收起、中间展开和防突展开三个状态的示意图。为了研究各杆长和偏心距e对防突装置的影响，本文对防突装置处于初始收起和防突展开两个状态进行了分析。如图 5所示，当防突装置处于初始收起状态时，杆lbc处于竖直位置，此时曲柄滑块机构的传动角为：
| $ \gamma = \arcsin \frac{e}{{{l_{bc}}}} $ | (1) |
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| 图 4 防突装置机构简图 Fig.4 Mechanism schematic diagram of anti-extrusion device |
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| 图 5 防突装置机构分析 Fig.5 Mechanism analysis of anti-extrusion device |
在机构的传动过程中，传动角γ的大小是变化的，传动角γ越大，对机构的传力越有利，对于一些受力较小或不常使用的操作机构，可允许传动角小些，不发生自锁即可[13]。初始收起状态时防突装置传动角处于最小位置，防突装置中的曲柄滑块机构只在胶筒坐封时动作，且在翼板展开的过程中受力较小，因此此时传动角的大小只需保证防突装置翼板展开时不发生自锁即可。从式(1) 可以看出，防突装置的偏心距e不能为0，且偏心距e越大，杆lbc越短，传动角越大，越利于翼板展开。
当防突装置处于防突展开状态时，胶筒被压缩张开，橡胶材料有从环空外突的趋势。杆lab受到胶筒向上挤压的分布载荷为q(l)，可将其等效为在b1处的集中载荷F1和逆时针的力矩M。由力的平衡关系可得，杆lbc受到的力F2为：
| $ {F_2} = \frac{{{F_1}}}{{\sin \theta }} = \frac{{{l_{bc}}\int_0^{{l_{bc}}} {{q_{\left( l \right)}}{d_1}} }}{{{{\left[ {l_{bc}^2 - {{\left( {e + {l_{ab}}} \right)}^2}} \right]}^{1/2}}}} $ | (2) |
随着杆lbc减小，θ值变小，杆lbc受到的力F2变大，杆两端的铰链易损坏。在保证滑块机构从竖直位置展开时不发生自锁的情况下，杆lbc应尽量取长一些。
本文对Y111-150型封隔器的防突装置进行设计。内翼板、外翼板和连杆的模型如图 6所示，防突装置的偏心距e=6 mm，杆lab=12 mm，杆lbc=60 mm，防突间隙为9 mm，内翼板和外翼板沿轴向交叉分布，各为11个。防突装置的传动角为：
| $ \gamma = \arcsin \frac{e}{{{l_{bc}}}} = \arcsin \frac{6}{{60}} = 5.73° $ | (3) |
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| 图 6 防突装置零件 Fig.6 Parts of anti-extrusion device |
为了分析传动角为5.73°时机构是否自锁，使用UG软件对其进行仿真试验，仿真模型如图 7所示。将各销钉连接处定义为旋转副，滑块与大地之间定义为滑动副。各零件之间的滑动摩擦系数设置为0.12，对滑块施加向下速度，为3 mm/s。分析发现当传动角为5.73°时，翼板可顺利展开。通过三维软件建立此防突装置的三维模型，分析验证防突装置在收起、展开的过程中各零部件都无干涉发生，如图 8所示。
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| 图 7 防突装置自锁仿真模型 Fig.7 The simulation model of anti-extrusion device self-locking |
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| 图 8 防突装置模型 Fig.8 Model of anti-extrusion device |
防突装置在翼板完全展开的情况下受力最大，本文通过有限元软件分析防突装置在防突过程中各零部件的受力情况。因防突装置的各翼板之间结构、受力基本相同，在此取其中一块翼板构成的曲柄滑块机构进行分析，简化后的模型如图 9。定义翼板、销钉、连杆和挡环的材质为钢，各零件之间为接触关系，摩擦系数为0.12，对滑环、挡板施加固定约束。为了计算得到防突装置在工作时胶筒对翼板的挤压力，本文假设内翼板和外翼板展开式组成一个封闭圆环罩住环空(实际工况是内外翼板交叉凹凸分布)。通过仿真得到胶筒与防突环之间的接触应力如图 10所示，仿真分析时所施加的封隔压力为20 MPa，从分析的结果看以看出，防突环的接触应力在20 MPa左右，为了施加力的方便，在对防突装置进行分析时对翼板与胶筒的接触面施加20 MPa压力载荷。
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| 图 9 防突装置简化模型 Fig.9 Simplified model of anti-extrusion device |
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| 图 10 完全防突下的胶筒接触应力云图 Fig.10 Contact stress nephogram of rubber with complete anti-extrusion |
防突装置各零件的应力云图如图 11所示，从图中可以看出防突装置应力较大的地方出现在销钉3与翼板、杆的连接处，杆与销钉1的连接处。在这2颗销钉连接处的受力最大，易被剪断失效，在对大间隙和大压差进行封隔时，因胶筒对翼板的作用力较大，应适当增加销钉1和销钉3的直径以及增加连杆的厚度，提升防突装置的强度安全系数。
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| 图 11 防突装置各零件的应力云图 Fig.11 Stress nephogram of each part of anti-extrusion device |
1) 完全防突装置可有效防止胶筒突出，改善胶筒的受力和提高胶筒的封隔能力。
2) 设计的新型完全防突装置在功能上可完全罩住环空达到防突目的。防突装置的连杆长度在保证不发生自锁的情况下应尽量取大，偏心距尽量取小，有利于减小销钉处的受力。
3) 本文设计的适用于Y111-150型封隔器的防突装置，通过试验发现机构不会发生自锁，各零部件之间也无干涉发生。当防突装置翼板展开防突时，连杆两端处的销钉受力最大，此处易发生失效。当防突装置用于大间隙、高压差封隔时应适当增加这2处的销钉直径和连杆厚度。
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