為了提高油田分層開采特別是非常規(guī)油氣完井技術(shù)中使用的封隔器常規(guī)膠筒的密封性能，使其應(yīng)力分布更均勻，通過在膠筒與中心管接觸一側(cè)的中間開設(shè)小圓槽，設(shè)計出幾種具有不同半徑小圓槽的異型膠筒。采用非線性有限元方法，利用ANSYS 分析軟件建立封隔器膠筒有限元模型，對比分析常規(guī)膠筒和異型膠筒的密封性能，并研究圓槽半徑對封隔器密封性能的影響。結(jié)果表明：異型膠筒最大接觸應(yīng)力明顯高于常規(guī)膠筒，且接觸應(yīng)力分布均勻，因此其密封性能高于常規(guī)膠筒; 在一定范圍內(nèi)，圓槽半徑對接觸應(yīng)力影響不大，但圓槽半徑過大會降低封隔器的密封性，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況來確定圓槽半徑。

　　隨著油田勘探開發(fā)的深入，越來越多的深井、超深井、裸眼井開發(fā)，以及高壓注水管柱技術(shù)、稠油熱采管柱技術(shù)、水平井采油及增產(chǎn)管柱技術(shù)、機械防沙管柱技術(shù)等深入應(yīng)用，對油田井下工具的性能要求也越來越高。作為石油勘探開發(fā)的主要井下工具之一，封隔器被廣泛地應(yīng)用于石油開采技術(shù)的各個領(lǐng)域，封隔器的主要作用是實現(xiàn)封隔產(chǎn)層或施工目的層，防止層間流體和壓力相互干擾等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認為封隔器的好壞，密封是關(guān)鍵。

　　目前封隔器的膠筒仍使用橡膠材料，在工作中靠管柱壓重或借助水力載荷壓縮膠筒實現(xiàn)密封，這種密封屬于接觸密封，其密封質(zhì)量的好壞關(guān)鍵取決于井壁與橡膠筒之間接觸應(yīng)力的大小。膠筒密封元件在承載變形時，要求應(yīng)力分布均勻，盡量避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為此，本文作者對常規(guī)封隔器膠筒進行改進，以減少膠筒上的應(yīng)力集中，利用ANSYS 軟件對改進后的膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了模擬，分析了封隔器膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力。改進后的膠筒具有較好的密封性能，為封隔器膠筒的設(shè)計提出了一種新的思路。

　　1、新型封隔器膠筒的設(shè)計

　　根據(jù)封隔器膠筒的的變形規(guī)律、接觸應(yīng)力和密封原理，膠筒密封元件在承載變形時，其應(yīng)力分布越均勻，密封效果越好。但是通過對常規(guī)膠筒的模擬計算發(fā)現(xiàn)，在膠筒受力坐封之后，膠筒與套管壁的接觸應(yīng)力分布不均勻，在靠近加載端，接觸應(yīng)力比較大，在膠筒中部和下部，接觸應(yīng)力明顯減小。并且在分析膠筒變形規(guī)律發(fā)現(xiàn)，膠筒內(nèi)側(cè)( 也就是膠筒靠近中心管的一側(cè)) 中間部分最先向外彎曲變形，膠筒內(nèi)側(cè)中間部分材料離開中心管，由此定性地認為膠筒內(nèi)側(cè)中間部分的橡膠對變形影響不大。

　　觀察膠筒實際變形，其變形形式和模擬計算類似，由此定性分析認為，如果在膠筒內(nèi)側(cè)中間部位設(shè)計小圓槽結(jié)構(gòu)，可能會使膠筒在受力之后變形更加容易，使膠筒更加緊密地貼在套管壁上，增大接觸應(yīng)力，且使接觸應(yīng)力均勻分布。根據(jù)以上分析，在圖1 所示的常規(guī)膠筒內(nèi)側(cè)中間部分開出一個半徑為1 ～5 mm 小圓槽( 其他結(jié)構(gòu)尺寸均不變) ，從而設(shè)計出幾種異型膠筒，如圖2 所示。

圖1 常規(guī)單膠筒封隔器示意圖

圖2 異型單膠筒封隔器示意圖

　　4、結(jié)論

　　(1) 改進的封隔器異型膠筒接觸應(yīng)力比較均勻，且最大接觸應(yīng)力比常規(guī)膠筒的提高了23%，因而具有更好的密封性能。

　　(2) 研究的封隔器膠筒的圓槽半徑在1 ～4 mm范圍內(nèi)對密封性能的影響不大。但當圓槽半徑尺寸過大時，會大大降低封隔器的密封性。因此圓槽的尺寸可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況來選擇。