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封隔器加压扩张的流固耦合分析

王兰文,盛选禹

清华大学机械工程系，北京，100084

摘要:应用Abaqus对封隔器的加压扩张过程进行流固耦合分析，开展了膨胀液压力变化的

数值分析，并得到加载过程中封隔器各部件的应力分布。分析结果表明：在膨胀液两端加

载10MPa的内压作用下，封隔器胶筒结构能够完全扩张，且模拟扩张过程与试验中封隔器

实际扩张过程一致。膨胀液在内压加载阶段，内部压强逐渐增大，且越靠近端部的节点压

强增长越快；在封隔器压差加载阶段，膨胀液内部压强逐渐增大，且不同节点增长曲线基

本一致。封隔器扩张后，胶筒与胶筒接头接触的喇叭口处应力较大，实际设计封隔器时，

此位置应具有良好的结构或材料。

关键词:封隔器；流固耦合；膨胀液；加压扩张

1.简介

封隔器是应用于油气井措施作业封隔井筒的井下工具，广泛用于石油勘探与开发的各

个生产过程(江汉石油管理局采油工艺研究所,1983)。目前在高抗硫高膨胀率封隔器的工作

过程中，出现钢片断裂、胶筒破坏、胶筒接头开裂等事故，从而导致国产封隔器早期报

废。现场作业时，封隔器的功能主要由胶筒总成来实现，胶筒总成由叠层钢带和橡胶制成

的内胶筒、外胶筒组成，其工作原理为在内部加压，胶筒总成受压后膨胀扩张，外胶筒与

井壁的套管相接触，在内压挤压以及上下压差的作用下，完成对油气井井筒的密封(张承武,

2007)。为完整模拟封隔器的加压扩张过程，运用Abaqus有限元软件对封隔器进行流固耦合

分析，得到封隔器加压扩张过程中膨胀液的压力变化和胶筒各部件的应力分布，为封隔器

的密封和优化提供了理论支持。

2.流固耦合模型建立

封隔器的加压扩张为典型的流固耦合问题，需要在Abaqus/CAE中分别建立流体结构

和固体结构的有限元模型(石亦平,2006)。封隔器固体结构最主要的工作部分为内胶筒、外

胶筒、叠层钢片、固定端胶筒接头、浮动端胶筒接头和外部套管，因此仅建立这些结构的

三维模型，简化后的封隔器三维模型如图1所示。封隔器叠层钢片外径为Φ52mm，外胶

筒外径为Φ60mm，外部需要密封的套管内径为Φ160mm。

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（a）正视图（套管隐藏）（b）左视图

图1.封隔器固体结构

在图1中，叠层钢片建立为单一筒状结构，并赋予正交各向异性材料的材料属性，这样

可以大幅减少接触数量以及小尺寸局部单元，从而完整的计算封隔器的加压扩张过程(陈星,

2015)。封隔器的胶筒接头和套管结构材料为304号钢，内胶筒和外胶筒的结构材料为橡

胶，橡胶材料的超弹性本构模型需要通过单拉、平面和等双轴拉伸试验来确定，并用体积

变化率实验数据来确定橡胶材料的变形系数。根据橡胶实验数据，选择3阶Ogden模型拟

合并赋予材料参数。

封隔器固体结构为轴对称实体结构,采用六面体单元建立有限元模型,如图2所示,划分

的网格节点数84090,单元数60800。

图2.固体结构有限元模型

封隔器的流体域为内胶筒内部的膨胀液，流体有限元模型采用六面体网格建立,如图3

所示,划分网格后节点数17334,单元数14080。

图3.流体结构有限元模型

该仿真分析主要为模拟胶筒总成的加压扩张状况，具体分为两个阶段，第一阶段在流体

域两端加载10MPa的内压，使胶筒在膨胀液内压作用下扩张，第二阶段在胶筒扩张后外胶

筒浮动端加载16MPa的压差。计算时固体结构分析采用Abaqus/Explicit求解器，流体结构

分析采用Abaqus/CFD求解器，计算完成后得到封隔器扩张变形后的结构变化和内压变

化。

3.流体域结果分析

膨胀液在两端压力作用下膨胀，膨胀液的膨胀过程如图4所示。

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