蜂窝骨架结构可溶性橡胶柱的溶解与密封性能研究

本文推荐研究人员针对水平井分段压裂中可溶性桥塞橡胶柱溶解速率慢、残留物堵塞井筒等问题，创新性地设计了蜂窝骨架结构可溶性橡胶柱。通过建立溶解时间计算模型和TPU橡胶球溶解实验，验证了该结构可缩短56%溶解时间，提升1.26倍溶解效率。有限元模拟显示其密封性能参数K达0.227 MPa·mm2，且无肩部应力集中现象，为非常规油气开发提供了高效解决方案。

　　

在非常规油气资源开发中，水平井分段压裂技术已成为提高采收率的关键手段。其中，泵送桥塞与射孔联作工艺（pump-down plug & perforation）因其灵活性和无级数限制的特点被广泛应用。然而，传统桥塞在压裂后需钻磨清除，不仅耗时耗力，还可能损伤套管。虽然可溶性桥塞（soluble frac plug）通过自溶解解决了这一问题，但其橡胶柱溶解速率慢、残留物易堵塞井筒等缺陷仍制约着作业效率。针对这一行业痛点，中国石油大学（北京）的研究团队在《Polymer Testing》发表了一项创新研究，通过仿生学设计将蜂窝结构引入可溶性橡胶柱，显著提升了溶解效率和密封性能。

研究人员采用理论建模与实验验证相结合的方法，首先建立了蜂窝骨架可溶性橡胶柱的溶解时间计算模型，通过热塑性聚氨酯（TPU）橡胶球在不同温度和溶液浓度下的溶解实验获取动力学参数。随后利用3D打印技术制备蜂窝结构橡胶柱进行溶解验证，并采用ABAQUS/Explicit求解器进行有限元分析（FEA），对比传统结构与新型设计的密封性能差异。

研究结果显示，蜂窝骨架结构通过增加固液接触面积显著提升了溶解效率。在JY-XX井的模拟工况（110°C）下，蜂窝骨架橡胶柱仅需68小时即可完全溶解，较传统结构缩短56%时间，溶解速率提升1.26倍。其奥秘在于创新的分层设计：每个单元包含6mm高的蜂窝层和4mm厚的隔离层（spacer），确保溶解液按预定路径逐层渗透。溶解实验与理论计算的误差仅5.3%，验证了模型的准确性。

密封性能方面，有限元分析揭示了蜂窝结构的独特优势。当承受70 kN坐封载荷时，蜂窝骨架橡胶柱的密封性能参数K达到0.227 MPa·mm²，优于传统结构的0.222 MPa·mm²。更关键的是，其应力分布均匀且肩部突出值J为零，彻底避免了传统橡胶柱常见的5.26mm肩部应力集中现象。这归功于蜂窝骨架的能量吸收特性——在坐封初期通过自身变形缓冲压力，后期则通过更大的压缩力矩实现紧密密封。

该研究通过Mooney-Rivlin 2参数模型精确模拟了氢化丁腈橡胶（硬度90 IRHD）的超弹性行为，其中C₁₀=1.92556 MPa、C₀₁=0.96278 MPa的参数设置确保了计算精度。接触分析采用罚函数法定义摩擦系数（0.3），使用15,471个C3D8R单元进行网格划分，有效解决了橡胶大变形导致的网格穿透问题。

这项研究的重要意义在于：蜂窝骨架设计通过仿生学优化实现了溶解效率与密封可靠性的协同提升，为非常规油气开发提供了新型井下工具解决方案。其创新性体现在三个方面：一是首次将蜂窝拓扑结构应用于桥塞橡胶柱，利用其高比强度特性改善力学性能；二是建立溶解动力学模型指导结构设计，确保隔离层与蜂窝层的时序溶解；三是通过参数化评价体系（K/J值）量化密封性能。该成果不仅缩短了压裂作业周期，更避免了井筒堵塞风险，对推动页岩油气等非常规资源高效开发具有重要工程价值。