随着油气资源勘探技术的不断发展，中国油气资源开发逐步从浅层油气井迈向到深层、超深层油气井。螺杆钻具作为主要的井下动力钻具，长期处于深井、超深井及定向井的高温、高压和油基钻井液环境中，其橡胶衬套井下高温热老化和油基钻井液溶胀问题显著突出，导致螺杆钻具输出性能衰减，严重影响钻进效率。西南石油大学机电工程学院副院长兼能源装备研究院院长王国荣教授针对高温工况下由橡胶材料溶胀老化引发的螺杆钻具橡胶衬套失效问题，研究分析了溶胀时长对橡胶衬套的内腔变形、力学特性、密封性能、过流面积以及滞后生热的影响，对高温油基井螺杆钻具的钻进效率提升及其橡胶衬套优化设计具有重要的参考意义。相关研究认识刊登在《石油学报》第45卷第10期。
（1）开展了螺杆钻具橡胶衬套材料的溶胀老化试验和材料力学性能试验，通过分析丁腈橡胶材料溶胀规律，发现由于油分子、烃类小分子向橡胶材料内部分子链渗透，橡胶试样的质量和体积随溶胀时长先上升后趋于稳定，橡胶材料随着溶胀老化呈现“硬化”趋势，材料力学性能急剧下降。
（2）拟合对比了Arruda-Boyce模型等８个超弹本构模型，最终优选出最合适的超弹本构Yeoh模型，确定了不同溶胀老化状态的橡胶材料超弹本构模型参数，通过标准Ａ型圆柱试样温胀变形研究，以体积变化率为衡量标准，确定了不同溶胀时长下对应的溶胀当量温度。
（3）建立了螺杆钻具橡胶衬套溶胀老化有限元模型，通过分析溶胀时长对常规壁厚衬套内腔变形及过流面积的影响，发现了温胀及溶胀变形增大了衬套与转子间实际过盈量，常规壁厚橡胶衬套的过流面积随着溶胀时长的增加而逐渐降低，为螺杆钻具钻井时后期动力不足现象提供了理论依据。
（4）采用了单向解耦法对螺杆钻具橡胶衬套进行热滞后分析，发现了橡胶衬套最高温升出现在其弧顶位置，且热滞后最高温升随溶胀时长的增长而增大，进一步揭示了橡胶衬套烧心现象产生的原因，为橡胶衬套内轮廓理论线型设计提供研究基础。
论文链接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202410008
