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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 1 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， 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。 2 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 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。 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