K344封隔器質量改進研究

李 斌 王大江 劉 軍

中國石化江漢油田分公司 采油工藝研究院 （湖北 潛江 433123）

K344封隔器質量改進研究

李 斌 王大江 劉 軍

中國石化江漢油田分公司 采油工藝研究院 （湖北 潛江 433123）

針對目前K344封隔器在壓裂施工中存在的質量問題，將PDCA質量管理方法應用于K344封隔器質量改進過程。在運用統(tǒng)計方法對現(xiàn)場問題歸類的基礎上，從設計角度進行原因分析，并對其結構進行優(yōu)化設計，運用試驗研究方法驗證。改進結果表明：優(yōu)化后K344封隔器結構更加合理，易于組裝，下入、坐封可靠性更高。

封隔器 質量改進 中途坐封

目前中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院（以下簡稱江漢油田采油院）研制的K344封隔器在油田得到了廣泛應用。該封隔器具有密封性能好、承壓時間長、易解封等優(yōu)點，能夠有效的解決分層壓裂管柱砂卡，封隔器不易解封，管柱難以起出的問題。該封隔器在現(xiàn)場應用過程中出現(xiàn)過中途坐封的問題，在深井施工中出現(xiàn)坐封啟動壓力偏高以及組裝困難等問題。為有效解決上述問題，本文將PDCA質量管理方法應用于K344封隔器質量改進過程以提高封隔器的可靠性、降低質量成本。采用調查表的方法分析質量現(xiàn)狀、統(tǒng)計質量問題，并從設計角度針對K344封隔器存在問題進行了深入分析。采取預防措施對其結構進行優(yōu)化設計后，進一步開展了一系列的室內試驗和現(xiàn)場試驗，運用試驗研究方法驗證K344封隔器改進結果。

1 工作原理

1.1 K344型封隔器結構

K344封隔器主要由上接頭、鎖簧、外套、活塞、中心管、擴張式膠筒、浮動短接、下接頭等組成。

1.2 K344型封隔器工作原理

其工作原理是中心管憋壓，當壓力到達10MPa后，在液壓的作用下活塞上行，剪斷坐封啟動銷釘。進入鎖簧入鎖后，坐封進液通道被開啟，液體進入擴張式膠筒與中心管的密封空間內使膠筒膨脹坐封。中心管卸壓后，膠筒在自身的彈力的作用下回收，完成解封。

2 存在問題

采用質量管理的統(tǒng)計技術，以調查表的形式對已組裝的95套K344封隔器和已應用的42井次進行統(tǒng)計，以分析質量現(xiàn)狀。得出統(tǒng)計情況如表1、表2所示。

表1 K344封隔器組裝異常情況統(tǒng)計

表2 K344封隔器現(xiàn)場應用異常情況統(tǒng)計

從表1、表2中可以看出，該封隔器總體上組裝、應用一次成功率較高，但也出現(xiàn)了一些出現(xiàn)頻次較高的問題，主要表現(xiàn)在：

（1）封隔器組裝時啟動銷釘異常剪斷，不能正常工作，占組裝總數(shù)的17.9%。

（2）管柱下入過程中封隔器中途坐封，占現(xiàn)場應用井次的7.1%。

（3）封隔器坐封過程中壓力異常偏高，占現(xiàn)場應用井次的16.7%。

這些問題的出現(xiàn)，導致在室內組裝上需投入大量人力檢測和返工，影響組裝效率和最終產品質量；導致封隔器在應用過程中出現(xiàn)異常情況，造成一些不必要的重復作業(yè)，影響施工效率和質量，如不解決上述問題、重視質量成本，會給施工方造成巨大的經濟損失。

3 原因分析

產品質量第一是設計出來的，第二是制造出來的，設計是造成產品質量問題的首要原因，而檢驗最終把關不能保證和提高產品質量。針對上述K344封隔器在現(xiàn)場應用中存在的問題，從產品設計的角度綜合運用流體力學等專業(yè)知識和實踐經驗對問題進行原因分析。

3.1 中途坐封

封隔器下入過程中其內部的液柱會引起水擊現(xiàn)象。發(fā)生水擊的物理原因主要是由于液體具有慣性及壓縮性，在管內液體受到瞬間阻擋截斷時，液體的壓縮性和慣性起著主要作用。慣性維持原來運動狀態(tài)，故流速突然改變導致壓力的急劇變化。

由流體力學理論可知，管柱內井液對封隔器產生的瞬時最大水擊壓差ΔP為

式中 ρ—井內液體密度，kg/m3；

c—壓力傳播速度，m/s；

v內—管柱內井液上行的速度，m/s。

壓力傳播速度c為

式中E0—井液彈性模量，MPa；

D—管柱外徑，mm；

δ—管柱平均厚度，mm；

E—管柱彈性模量，MPa。

按照如下已知條件計算：

井液密度ρ為1.3×103kg/m3；最快下入速度v內為4m/s；管柱彈性模量E為3×1011MPa；井液彈性模量E0為2.06×109MPa；28■″UP TBG油管管柱外徑D為73mm；管柱平均厚度δ為5.51mm。計算得到最大水擊壓差ΔP為20.96MPa。而設計坐封啟動銷釘?shù)募羟袎毫?0～15MPa,水擊壓差大于設計壓力。

當封隔器下入速度過快時，在水擊效應的影響下，液體在慣性下推動活塞運動剪斷坐封啟動銷釘，從而封隔器內液體壓縮膠筒使其鼓脹，造成中途坐封。

3.2 坐封啟動壓力偏高

活塞前后端面處有效面積不同，如圖1所示。套壓與油壓活塞有效作用面積比例為：

式中S套壓—油壓在活塞上的有效作用面積，m2；

S油壓—套壓在活塞上的有效作用面積，m2；

L—套壓與油壓活塞有效面積比例。

圖1 原K344封隔器活塞示意圖

以K344-114型封隔器為例，套壓與油壓活塞有效作用面積比例L=1.8，油壓推動活塞剪斷坐封啟動銷釘必須首先克服套壓的作用。在深井中套壓形成的活塞阻力會使得坐封啟動銷釘剪切壓力大大高于設計壓力。K344設計坐封啟動壓力是 10～15MPa，在深井施工中會出現(xiàn)30MPa才能剪斷銷釘情況，給深井施工帶來了風險。

3.3 組裝不便

在封隔器的組裝過程中，裝在外套里面的銷釘，在剪斷后不易發(fā)現(xiàn)。特別是在銷釘剪切面直徑小至3mm，容易出現(xiàn)安裝外套時，碰撞活塞導致剪斷銷釘?shù)那闆r。這種設計給組裝、質檢工作帶來了困難，降低了工作效率。

4 結構優(yōu)化

針對K344封隔器存在的上述問題，依據(jù)PDCA質量管理方法擬定改進措施，在封隔器設計上采用預防手段，對其從結構上進行改進優(yōu)化，以期提高封隔器質量，降低質量成本。

4.1 K344型封隔器優(yōu)化改進思路

通過優(yōu)化提高K344型封隔器對于復雜井況的適應性。優(yōu)化思路為：增加防阻防水擊機構，提高封隔器的可靠性；改進活塞結構，確保作業(yè)安全有序；調整坐封啟動銷釘位置，提高組裝效率。

4.2 K344型封隔器優(yōu)化設計

針對K344封隔器設計輸出無法滿足設計輸入要求的情況，對其進行優(yōu)化改進。優(yōu)化后的K344型封隔器主要由上接頭、擴張式膠筒、外套、下接頭等組成。其中外套內設計有防阻防水擊機構。封隔器工作原理是：中心管憋壓，當達到一定壓力后，活塞剪斷坐封啟動銷釘，同時使防阻機構失去作用。坐封進液通道開啟后，液體進入擴張式膠筒與中心管的密封空間內使膠筒膨脹坐封。中心管卸壓后，膠筒在自身的彈力作用下回收，完成解封。

改進后的K344型封隔器具有以下特點：

（1）增加了防阻防水擊機構，提高了K344封隔器的可靠性。為了避免在封隔器下井過程中出現(xiàn)中途坐封，在原有K344封隔器的基礎上，增加了防阻防水擊機構。首先，通過螺紋將外套、彈簧爪、下外套、下接頭和中心管連接為一體。在封隔器下入過程中遇阻或水擊上外套出現(xiàn)活塞效應時，依靠鎖緊的彈簧爪固定的位置，阻止其推動膠筒膨脹。其次，合理增大坐封啟動銷釘尺寸。有效避免在封隔器內出現(xiàn)水擊現(xiàn)象時，銷釘輕易被剪斷進而開始坐封。

（2）改進了活塞結構，確保坐封壓力穩(wěn)定。為了有效提高封隔器在深井作業(yè)中的可靠性，保證按照工具設計的坐封啟動壓力順利施工，改進活塞結構，使得油套壓作用的有效面積相同。從而在油管加壓的情況下，活塞能夠按照設計壓力剪斷銷釘，使液體進入擴張式膠筒與中心管的密封空間內開始坐封。

（3）調整了坐封啟動銷釘位置，便于質檢和室內試驗的開展。為避免安裝外套時碰撞活塞導致剪斷銷釘?shù)那闆r出現(xiàn)，將坐封啟動銷釘直接安裝于外套上。調整銷釘位置后，可以在安裝外套后再安裝銷釘。改進后的結構既方便安裝外套，又便于銷釘?shù)陌惭b和檢查，有效地提高了組裝效率。在開展室內銷釘剪切試驗后，也方便更換銷釘，避免了反復拆裝封隔器。

5 優(yōu)化后的K344封隔器室內試驗及現(xiàn)場應用情況

為檢查K344封隔器改進計劃的執(zhí)行情況和實施效果，需要對設計結果進行驗證，并記錄驗證結果。對優(yōu)化后的K344封隔器通過開展一系列的室內試驗和現(xiàn)場試驗以試驗研究方法驗證改進后的封隔器性能指標是否滿足現(xiàn)場使用要求。

5.1 室內模擬試驗

對優(yōu)化后K344型封隔器的各項性能進行了室內模擬試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 優(yōu)化后K344型封隔器室內試驗數(shù)據(jù)

室內模擬試驗表明，優(yōu)化后K344型封隔器的工作參數(shù)滿足設計要求。

優(yōu)化后的K344型封隔器系列技術指標如表4所示。

5.2 現(xiàn)場應用情況

2012年以來，優(yōu)化后的K344系列封隔器已在四川、玉門等油田成功應用74井次，且施工結束后油壓、套壓平衡，封隔器按設計要求實現(xiàn)了解封。以合川125-8-斜2井為例，該井井深2 579m，最大井斜34.39°，2012年4月10日使用4套K344-114封隔器對該井須二井段2 548～2 552m、2 526～2 532 m、2 457～2 460m和2 428～2 431m進行分4層加砂壓裂。

施工最高油壓75MPa，最高套壓26MPa，總加砂量90m3。在施工過程中，封隔器按照設計壓力進行有序作業(yè)。施工后順利起出封隔器，其形狀基本保持完好。表明改進后的K344型封隔器能夠滿足分層壓裂有效封隔的要求。

表4 優(yōu)化后K344型封隔器技術指標

6 結 論

針對K344封隔器在現(xiàn)場應用過程中存在的一些質量問題，將PDCA質量管理方法應用于K344封隔器質量改進過程，以提高封隔器的可靠性、降低了質量成本。運用統(tǒng)計方法分析質量現(xiàn)狀，找出存在的質量問題。從設計角度分析原因后采取預防措施對其進行了結構優(yōu)化。通過試驗研究方法證明，改進后的K344型封隔器有效地滿足了現(xiàn)場施工要求，并取得了良好的經濟效益。

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[3]彭紅波,彭賀林,郭亞強.K344-98擴張式封隔器在套變井分層酸化中的應用[J].內蒙古石油化工,2009(12):136-137.

PDCA quality management method is applied in the quality improvement of K344 packer in order to solve the quality problems of the packer in fracturing operation.The quality problems are classified using statistical method,and the causes of the problems are analyzed from the structural design of the packer.Then the structure of the packer is optimized.The test results show that the structure of the optimized packer is more reasonable,its assembly is easier,and its down-well and seating-seal are more reliable.

packer;quality improvement;seating seal

李斌（1983-），男，現(xiàn)主要從事井下工具研究工作。

2012-08-13▎