超膨胀波纹骨架封隔器结构设计与密封特性研究

来源：石油科学通报杂志2025年第1期北京时间：

作者：张政；毕绍东；郭岩宝；王德国

单位：中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京 102249

摘要：储气库是国家战略储备、应急调峰、保障能源安全的重要基础设施.但复杂的注采工艺和频繁的压力波动对安全生产构成严峻挑战.过油管封隔器作为过油管作业关键井下装备,具有高效、低风险及操作简便等优势,因而在不动管柱暂堵、验封领域表现出巨大应用潜力.然而,传统叠层钢片式结构的过油管封隔器无法满足储气库用过 4-1/2 油管密封 7 寸套管的超膨胀密封的现场需求,亟需解决过小内径油管封大内径套管的问题,同时兼顾胶筒密封性能和强度要求.本文创新性提出一种新型波纹骨架过油管封隔器设计方案,确定了波纹骨架、三胶筒结构及关键部件的尺寸参数及材料选型,通过建立封隔器坐封力学模型,阐明了坐封机理,明确了井下作业的有效坐封条件;选用三阶Ogden模型对聚氨酯胶筒进行超弹本构分析,并利用ABAQUS有限元仿真软件模拟了封隔器的超膨胀过程,结果表明可以在30 s内实现整体完全超膨胀,验证了超膨胀行为的可行性;在此基础上,进一步优化了超膨胀波纹骨架封隔器波纹骨架和密封胶筒几何尺寸参数,模拟结果表明:当波纹骨架的型面表达式为y=3sin1.5x,外胶筒外径为 84 mm时,封隔器整体应力变化平缓,坐封性能良好,可有效减少应力集中,提升密封性能和坐封效果.该超膨胀波纹骨架封隔器可满足储气库复杂工况的承压需求,降低密封胶筒应力集中,延长工具使用寿命,为储气库用超膨胀过油管封隔器的设计提供了理论支持与设计参考.

关键词：超膨胀封隔器,波纹骨架,结构设计,胶筒性能,模拟仿真