Mechanical Behaviors and Constitutive Models of Ultra-High Temperature Liner Wiper Plugs

Peng Xiaogang; Liu Zhongfei; Dong Liangliang; Liu Jinlei; Ye Sutao; Shi Yaowei

doi:10.12473/CPM.202506074

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Mechanical Behaviors and Constitutive Models of Ultra-High Temperature Liner Wiper Plugs

OIL AND GAS FIELD DEVELOPMENT ENGINEERING | 更新时间：2026-10-15

- Mechanical Behaviors and Constitutive Models of Ultra-High Temperature Liner Wiper Plugs
- China Petroleum Machinery Vol. 54, Issue 9, Pages: 111-116(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国石油塔里木油田分公司
  2.中国石油天然气集团有限公司超深层复杂油气藏勘探开发技术研发中心
  3.新疆维吾尔自治区超深层复杂油气藏勘探开发工程研究中心
  4.新疆超深油气重点实验室
  5.西南石油大学机电工程学院
  6.中国石油集团川庆钻探工程有限公司新疆分公司
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12473/CPM.202506074
  CLC： TE925
- Received：25 June 2025，
  
  Revised：2026-03-17，
  
  Accepted：08 September 2025，
  
  Published：25 September 2026
- 稿件说明：
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彭晓刚，刘忠飞，董亮亮，等.超高温尾管胶塞力学行为及本构模型研究［J］.石油机械，2026，54（9）：111-116.

Peng Xiaogang，Liu Zhongfei，Dong Liangliang，et al.Mechanical behaviors and constitutive models of ultra-high temperature liner wiper plugs［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（9）：111-116.
彭晓刚，刘忠飞，董亮亮，等.超高温尾管胶塞力学行为及本构模型研究［J］.石油机械，2026，54（9）：111-116. DOI： 10.12473/CPM.202506074.

Peng Xiaogang，Liu Zhongfei，Dong Liangliang，et al.Mechanical behaviors and constitutive models of ultra-high temperature liner wiper plugs［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（9）：111-116. DOI： 10.12473/CPM.202506074.

摘要

深层、超深层是我国油气资源重要的接替领域，然而井下超高温工况对尾管固井胶塞密封性能提出了更高要求。为研究超高温工况下尾管胶塞橡胶材料的力学特性，设计并开展了常温、高温、老化工况下HK7596B氟橡胶与AFLAS氟橡胶单轴拉伸试验；使用最小二乘法对应力-应变试验数据进行拟合，建立了HK7596B氟橡胶3种工况下超弹性本构模型，分析了试验数据与拟合数据的误差。研究结果表明：常温、老化工况下2种橡胶拉伸强度与断裂伸长率未发生明显变化，而高温工况下，2种橡胶拉伸强度与断裂伸长率发生明显下降；HK7596B橡胶常温、老化、高温下的拉伸强度与断裂伸长率均高于AFLAS橡胶，材料力学性能更优，更适合作为尾管胶塞的制备材料；2阶Mooney-Rivlin模型拟合效果与试验数据符合度最高，更适合表征HK7596B氟橡胶作为固井胶塞材料的力学性能；随着环境工况由常温→高温→老化状态转变，胶塞von Mises应力呈现先增大后稳定的非线性演化特征，其接触界面密封性能随热氧老化进程呈渐进强化趋势。研究结果可为胶塞选材及设计提供理论指导。

Abstract

Deep and ultra-deep hydrocarbons are important substitute resources in China. However， the ultra-high downhole temperature raises stringent requirements on the sealing performance of wiper plugs in liner cementing. To understand the mechanical properties of rubber materials for liner wiper plugs under ultra-high temperature， uniaxial tensile tests were performed on fluororubbers HK7596B and AFLAS under normal-temperature， high-temperature and aging conditions. The stress-strain test data were fitted by the least square method， hyperelastic constitutive models of HK7596B under the three working conditions were established， and the errors between the test and fitting data were analyzed. The results show that the tensile strength and elongation at break of the two fluororubbers present no considerable change under normal-temperature and aging conditions， but significant reductions under high-temperature condition. HK7596B exhibits higher tensile strength and elongation at break under normal-temperature， aging and high-temperature conditions than AFLAS， indicating better mechanical properties and greater suitability as a material for liner wiper plugs. The second-order Mooney-Rivlin model yields the fitting results in the best agreement with the test data， so it is more suitable for characterizing the mechanical properties of HK7596B as the material for wiper plugs. As the environmental condition changes from normal temperature to high temperature and then to the aging state， the von Mises stress of the plug evolves in a nonlinear manner from increasing and then stabilizing， and the plug’s contact sealing performance tends to enhance gradually with the progress of thermal-oxidative aging. The research findings provide theoretical guidance for the material selection and design of wiper plugs.

关键词

Keywords

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