基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置及其弹性层应用特性

发布时间：2021-03-03 02:39

　　针对封隔器胶筒因肩部应力集中导致的密封失效问题,提出了一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置。该肩部防护装置由楔形金属环和环形弹性层组成,弹性层具有独特的压力-体积变化特性和压力传递性能,可消除封隔器胶筒肩部应力集中现象。以ZSM-5型沸石与甘油所构成的纳米流控系统填充弹性层,通过压力-位移特性测试实验,研究了弹性层的可重复使用性及不同加载速率下系统的压力阈值及最大压力下的有效形变量。结果表明ZSM-5型沸石-甘油配方具有良好的可重复使用性,可以作为肩部防护装置环形弹性层的填料。加载速率在0.01～0.1 mm/s范围内变化时,弹性层压力阈值可稳定在17±2 MPa范围内;不同加载速率下,最大压力下的有效形变量均大于58 mm3/g,加载速率越大,变形量越大,符合弹性层的性能需求。通过调整纳米多孔介质与功能流体的配方,环形弹性层的性能在很大范围内可调,适用于多种复杂工况。 

【文章来源】：石油钻采工艺. 2020,42(04)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

新型封隔器胶筒肩部防护装置结构示意图

图2所示为一个典型的纳米流控系统在外加载荷作用下的压力-体积变化关系示意图，该系统由疏水性纳米多孔介质和功能流体构成。pin为临界渗透压，当外界压力高于pin时，固液两相间的表面张力被突破，液体开始流入纳米孔道中。随着外载的持续施加，液体源源不断地流入孔道中去，压力-体积变化特性曲线呈现出一个进孔平台。pout为临界出孔压力，由于所采用的多孔材料为疏水性材料，当压力低于临界出孔压力时，功能流体会在相界面力的推动下流出多孔介质孔道，实现所存储界面能的释放。此过程中，压力-体积变化特性曲线上出现另一个平台，称为出孔平台。借助纳米流控系统独特的体积变化与能量吸收特性，在该肩部防护装置的环形弹性层填充纳米多孔介质与功能流体的混合液，当其受压高于临界进孔压力pin时，功能流体会流入多孔介质孔道中去，借助自身的体积变化平衡外界压力变化，从而使压力稳定在进孔平台期的压力范围内。所设计的多个小体积独立封装的骨架结构保证了该环形弹性层的压力传递性能，使得环形弹性层受压后压力分布相对均匀，消除封隔器胶筒肩部的应力集中。

图3为纳米流控系统压力-位移特性测试实验装置。该实验台采用伺服电机带动蜗杆推动不锈钢活塞杆为压力腔体加压或卸压，采用位移、压力及温度传感器对活塞杆位移、腔体内压力和温度实时监测，并用IMP数据采集板实时采集数据并记录。图3右下为实验压力腔体及填充物示意图。压力腔体采用不锈钢制作，最大承压能力60 MPa。其内填充ZSM-5型沸石与甘油的混合液，沸石与甘油质量比为1∶10。配置好的混合液放置真空环境进行12 h的脱气处理，处理完成后将混合液填充在压力腔体内，进行连续10次的加载/卸载循环。3.2 实验结果与分析

【参考文献】：
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本文编号：3060429