[发明专利]一种基于优化算法的全接触式可膨胀橡胶密封套结构

说明书

本发明公开了一种基于优化算法的全接触式可膨胀橡胶密封套结构，属于油田钻探工程技术领域，该结构包括膨胀锥、膨胀管、外层套管和密封橡胶套。常规橡胶套为梯形结构，优化后的橡胶套为圆弧结构。所述全接触式可膨胀橡胶密封套结构基于数值优化算法得到，所述算法包括以下步骤：建立膨胀管密封套参数化数值模型，圆弧半径为可变参数R，优化目标为膨胀后橡胶套与上层空间沿着橡胶长度方向的接触压力曲线下的面积，约束条件为橡胶套长度L和中央壁厚t不变。本发明的技术方案经过实验验证实际密封压力提高70％以上，满足了可膨胀式封隔器在页岩气压裂环境下的应用。

技术领域

本发明涉及油田钻探工程技术领域，特别涉及一种基于优化算法的全接触式可膨胀橡胶密封套结构。

背景技术

在可膨胀式封隔器、膨胀管尾管悬挂器、膨胀管套管补贴或者膨胀管裸眼堵漏等技术中膨胀管膨胀后需要与上层套管及裸眼地层搭接，搭接机构主要通过膨胀管外表面硫化的橡胶套膨胀后与上层通道的紧密贴合来实现悬挂及密封的作用，因此可膨胀橡胶密封套的结构直接影响着悬挂及密封的效果。随着页岩气技术的发展，可膨胀式封隔器逐渐应用于页岩气水平段的分段压裂，对密封压力提出了更高的要求，亟需改善密封套的结构以提高其膨胀后的封隔压力。同时，随着膨胀管技术的发展，膨胀管的作业长度逐渐增加，也需要密封胶套提供更大的悬挂力。

传统的可膨胀橡胶密封圈结构设计主要依靠经验公式、工程经验及大量的室内实验验证，这种设计方式导致可膨胀橡胶套结构相对简单、验证成本高，且密封压力不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于优化算法的全接触式可膨胀橡胶密封套结构，用于解决传统的可膨胀橡胶密封套结构设计主要依靠经验公式、工程经验及大量的室内实验验证而导致的验证成本高，周期长且密封压力不够高等问题，从而实现橡胶套膨胀后与上层通道实现全接触，大大提高有效接触面积，在不增大橡胶套压缩量的基础上，大大提高橡胶套膨胀后与上层通道之间的密封压力。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于优化算法的全接触式可膨胀橡胶密封套结构，其特征在于，其包括膨胀锥、膨胀管、外层套管、梯形橡胶套和圆弧橡胶套，膨胀锥置于膨胀管内，膨胀管之间通过螺纹连接，形成一个管串，橡胶套等间距分布在膨胀管外壁，钻杆或者油管与膨胀锥连接，形成内管柱。膨胀管管串通过内管柱下入到井内位置，通过高压液体实现膨胀管的膨胀，进而达到钻完井作业目的。

其中梯形橡胶套为常规结构，圆弧橡胶套为优化后的结构，所述全接触式可膨胀橡胶密封套圆弧结构基于数值优化算法得到，所述算法包括以下步骤：建立膨胀管密封橡胶套参数化数值模型，圆弧半径为可变参数R，优化目标为膨胀后橡胶套与上层空间沿着橡胶长度方向的接触压力曲线下的面积，约束条件为橡胶套长度L和中央壁厚t不变。

在本发明较佳的实施例中，圆弧橡胶套与膨胀管硫化粘结在一起，硫化在最后一根或者几根膨胀管的外壁上。

上述方案中，可膨胀式圆弧橡胶套外壁采用弧形结构。弧形结构中圆弧的圆心位于长度中心延长线上，半径R/L的范围为3-5。其中R为圆弧半径，L为橡胶套硫化区域的长度。

以橡胶套膨胀后与套管接触压力沿着长度形成的面积A为设计变量，可表示为：

A＝[L，t，R]

t为梯形橡胶套厚度，也等于圆弧橡胶套最薄位置的厚度。

橡胶套长度L和厚度t根据悬挂和密封要求，设计取值范围满足：

a≤L≤b

c≤L≤d

对橡胶套膨胀后与上层通道形成的接触压力沿位移方向形成的面积为目标函数，Maximize Contact(A)，通过调整圆弧半径R以获取最佳的密封压力。

本发明实施例的有益效果是：