中国石油大学（华东）刘建林教授课题组：预测超临界CO2对油井封隔器密封性能影响的Yeoh模型
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压缩式封隔器广泛应用于井下采油， 而 胶筒是其 产生 密封 效果 的核心 构件 。在轴向坐封力的作用下，胶筒 会 发生膨胀，从而 会进一步 封隔 住 中心管和套管之间的间隙， 从而 达到水 和 油 的 分层。 但是众所周知 ，井下环境十分恶劣， 例如采用注入 CO 2 气体驱油时， 如何保证橡胶 做成 的胶筒在高温高压条件下 能够 安全运行是 一个 棘手问题。 此时 CO 2 处于 超临界状态 ， 对橡胶胶筒的腐蚀影响 非常明显 ， 如何定量评估由腐蚀引起的 封隔器密封性能是目前亟待解决的问题。
近日，中国石油大学（华东）刘建林 研究小组 考虑井下高温高压条件，通过理论计算、试验 测试并 结合有限元仿真，研究了超临界 CO 2 对 用于 封隔器 的 橡胶 胶筒 的腐蚀行为以及 对 封隔器密封性能的影响。该研究首先 开展 高温高压 条件下的 超临界 CO 2 腐蚀试验 观察了腐蚀时间对橡胶形貌的影响（图 1 ），并进行 单向拉伸 实验 测试 了橡胶 材料 在受腐蚀后的应力应变曲线 （图 2 ）。 实验中发现， 胶筒橡胶经过 8 天的高温高压腐蚀，其表面出现了明显的鼓泡 而 变得弯曲。随 着 腐蚀天数的增加橡胶出现软化现象，其抗拉强度也随之下降。其次，研究者采用最小二乘法对试验数据进行拟合，通过引入时间变量对橡胶本构模型 （ Yeoh 模型 ） 进行修正， 给出了包含 腐蚀时间 的 材料参数的 表达式 。经 与实验结果比较可知 该模型 的 最大误差仅为 5.06% （图 3 ）。最后，将材料参数 植入 到 ABAQUS 有限元软件中，对工程 实际 中的封隔器的密封性能进行分析，分别给出了不同腐蚀时间 时 封隔器胶筒 的 轴向位移 和 径向应力云图（图 4 、 5 ） ，以及 沿胶筒与套管接触路径的接触应力（图 6 ）等。 有限元分析可知，在 高温高压 CO 2 腐蚀条件下，该封隔器胶筒 在 72 天内是可以安全运行的。
该项研究可以为我们在延缓或预防橡胶材料发生严重腐蚀方面提供启发。首先，可以通过改进橡胶制作工艺或添加有效成分提高橡胶材料的耐腐蚀性；其次，应避免在高温高压等极端条件下使用 H NBR 橡胶材料；最后，可以通过减少橡胶材料的使用时间来确保其力学性能的可靠性，比如在其发生严重腐蚀或断裂前进行更换。本研究为超临界腐蚀环境下橡胶的力学性能的精确计算提供了理论框架，同时也为许多工程领域的密封构件的设计提供了一个新的思路。 该工作以 “ A time-dependent Yeoh model to predict the corrosion effect of supercritical CO 2 on the HNBR sealing rubber ” 为题发表在《 Journal of Mechanical Science and Technology 》上。文章第一作者为中国石油大学（华东） 工程力学系 的博士研究生金兰。该研究得到 了 国家自然科学基金委的支持
图 1 不同腐蚀天数下的腐蚀形貌：（ a ） 0 天，（ b ） 2 天，（ c ） 4 天，（ d ） 6 天，（ e ） 8 天，（ f ） 8 天
图 2 胶筒橡胶不同腐蚀天数下应力 - 应变关系
图 3 预测公式验证结果
图 4 不同腐蚀天数下橡胶胶筒位移云图
图 5 不同腐蚀天数下径向应力云图
图 6 沿橡胶胶筒与套管接触路径接触应力：（ a ）沿接触路径接触应力，（ b ）最大接触应力
原文链接
https://doi.org/10.1007/s12206-022-0428-8
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