海上完井封隔器膠筒試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉傳剛，孔學(xué)云，馬認(rèn)琦，包陳義，閆 偉

（中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)公司，天津300452）①

海上完井封隔器膠筒試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉傳剛，孔學(xué)云，馬認(rèn)琦，包陳義，閆 偉

（中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)公司，天津300452）①

設(shè)計(jì)了封隔器膠筒試驗(yàn)裝置，可通過機(jī)械和液壓2種方式壓縮膠筒坐封，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單膠筒和多膠筒組合的密封檢驗(yàn)，具有實(shí)時(shí)鎖緊和快速?gòu)?fù)位、預(yù)先設(shè)置壓縮行程及上下環(huán)空雙向驗(yàn)封功能。試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明：該裝置實(shí)用性強(qiáng)、操作方便，解決了以前只能通過封隔器配合使用才能完成對(duì)膠筒密封性能檢驗(yàn)的局限。

試驗(yàn)裝置；封隔器膠筒；密封；壓縮行程

封隔器是石油開發(fā)開采中廣泛應(yīng)用的井下工具，封隔器與套管間的密封能力是衡量封隔器性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一，而封隔器膠筒的性能就是關(guān)鍵影響因素［1-2］。目前在封隔器的開發(fā)過程中，膠筒的密封性能檢驗(yàn)主要是將膠筒與封隔器的其他零部件組合到一起，通過封隔器的整體坐封、驗(yàn)封等試驗(yàn)環(huán)節(jié)，來(lái)判斷膠筒的密封性能［3-4］。但這種方式有以下缺點(diǎn)：①封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量較多，拆裝過程工時(shí)較長(zhǎng)，造成試驗(yàn)過程效率低；②封隔器進(jìn)行坐封、驗(yàn)封過程中，部分零部件會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的損壞，造成試驗(yàn)成本較高；③試驗(yàn)過程中由于環(huán)節(jié)較多，若出現(xiàn)泄漏等現(xiàn)象，不易判斷問題根源，因此不能對(duì)膠筒的密封性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，從而影響膠筒的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［5］。為解決上述問題，自主設(shè)計(jì)了針對(duì)封隔器膠筒的專用試驗(yàn)裝置。

1 技術(shù)分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

封隔器膠筒試驗(yàn)裝置主要由坐封機(jī)構(gòu)、行程設(shè)置機(jī)構(gòu)、實(shí)時(shí)鎖緊和快速?gòu)?fù)位機(jī)構(gòu)、膠筒替換機(jī)構(gòu)、雙向驗(yàn)封機(jī)構(gòu)等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膠筒試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

1） 坐封機(jī)構(gòu) 由上中心管、下中心管、堵頭、推套和活塞等組成。液壓坐封通過上中心管的坐封孔加壓，傳遞壓力至下中心管與活塞之間的內(nèi)密封腔，為壓縮膠筒提供推力；機(jī)械坐封通過使用專用擰扣試驗(yàn)機(jī)，一端夾緊下心軸下部另一端夾緊推套，直接正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)使活塞擠壓膠筒。

2） 行程設(shè)置機(jī)構(gòu) 包括調(diào)節(jié)環(huán)、活塞和緊固環(huán)，通過調(diào)整調(diào)節(jié)環(huán)與緊固環(huán)的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)置活塞的工作行程，精確控制對(duì)膠筒的壓縮量。

3） 實(shí)時(shí)鎖緊和快速?gòu)?fù)位機(jī)構(gòu) 包括活塞、鎖環(huán)、釋放銷釘、釋放卡簧、釋放環(huán)和上擋環(huán)。通過鎖環(huán)內(nèi)外的特殊鋸齒形螺紋與活塞和釋放環(huán)的特殊配合，可提供小螺距的實(shí)時(shí)位置鎖緊；通過可快速拆卸釋放銷釘而使釋放卡簧失效，可實(shí)現(xiàn)坐封后的快速解鎖復(fù)位。

4） 膠筒替換機(jī)構(gòu) 由膠筒心軸、膠筒座、膠筒和試驗(yàn)套管組成，可在滿足設(shè)計(jì)行程內(nèi)替換同規(guī)格的待檢膠筒進(jìn)行試驗(yàn)。雙向驗(yàn)封機(jī)構(gòu)包括上擋環(huán)和下?lián)醐h(huán)，通過上擋環(huán)和下?lián)醐h(huán)各自的試壓孔可實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢膠筒的雙向驗(yàn)封。

1.2 工作原理

1.2.1 膠筒坐封

試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)液壓和機(jī)械2種方式坐封膠筒。坐封前，安裝膠筒試驗(yàn)品至該試驗(yàn)裝置膠筒位置，首先根據(jù)膠筒長(zhǎng)度和設(shè)計(jì)壓縮量設(shè)定坐封行程，然后調(diào)整調(diào)節(jié)環(huán)與緊固環(huán)的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)置活塞的工作行程。若采取機(jī)械方式進(jìn)行試驗(yàn)，使用專用擰扣試驗(yàn)機(jī)將推套沿上中心管螺紋向右推動(dòng)活塞壓縮膠筒至設(shè)計(jì)行程，在不組裝使用鎖緊機(jī)構(gòu)時(shí)則需將背帽背緊以鎖定位置，進(jìn)行下步驗(yàn)封環(huán)節(jié)。若采取液壓方式進(jìn)行試驗(yàn)，則需在上中心管連接試壓接頭，在上中心管內(nèi)加壓，坐封液經(jīng)下中心管上的小孔進(jìn)入由上中心管、活塞、下中心管形成的密封腔；在壓力的作用下，活塞向右運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至膠筒座位置時(shí)開始推動(dòng)膠筒座一起向右運(yùn)動(dòng)，由于下?lián)醐h(huán)固定不動(dòng)，此時(shí)開始擠壓膠筒，按照預(yù)設(shè)壓力梯度進(jìn)行坐封程序，實(shí)時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了膠筒在整個(gè)壓縮過程中的位置鎖定，最終完成了膠筒坐封到設(shè)定位置。

1.2.2 膠筒驗(yàn)封

膠筒坐封完成后，需要進(jìn)行雙向的驗(yàn)封。正向驗(yàn)封時(shí)，在上擋環(huán)的試壓孔外接壓力管線，高壓液流至由試驗(yàn)套管、活塞、上擋環(huán)、膠筒心軸、坐封完畢的膠筒形成的密封腔，在高壓液的作用下，膠筒試驗(yàn)活塞回到初始位置后停止不動(dòng)，加壓至設(shè)計(jì)壓力并穩(wěn)壓，試驗(yàn)套管右側(cè)小孔無(wú)返出，且壓力不降，則滿足要求。反向驗(yàn)封則從試驗(yàn)套管右側(cè)試壓孔加壓，工作原理與正向驗(yàn)封相似，試驗(yàn)套管左側(cè)小孔無(wú)返出，且壓力不降，則滿足要求。

1.2.3 試驗(yàn)裝置復(fù)位和批量膠筒試驗(yàn)

該膠筒試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)批量膠筒的試驗(yàn)，在完成批量膠筒的首個(gè)試驗(yàn)后，首先拆解4個(gè)釋放銷釘，在膠筒擠壓反力的作用下，膠筒座推動(dòng)活塞，活塞再帶動(dòng)鎖環(huán)和釋放環(huán)軸向推動(dòng)釋放卡簧徑向變形，使活塞、鎖環(huán)、釋放環(huán)可瞬間解鎖軸向滑動(dòng)退出緊固環(huán)外部，然后拆解鎖緊環(huán)將鎖環(huán)等鎖緊機(jī)構(gòu)快速?gòu)?fù)位。與此同時(shí)，更換目標(biāo)膠筒密封機(jī)構(gòu)并將坐封機(jī)構(gòu)復(fù)位至初始設(shè)定位置，以備循環(huán)作業(yè)對(duì)批量膠筒進(jìn)行密封試驗(yàn)。

1.3 技術(shù)參數(shù)

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1） 試壓裝置提供了機(jī)械和液壓2種坐封方式，可根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)條件選擇不同的坐封方式，坐封后可以提供防退功能，以滿足試驗(yàn)需求。

2） 實(shí)時(shí)鎖緊和快速釋放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了膠筒在坐封過程中不同位置的實(shí)時(shí)鎖定，又滿足了試驗(yàn)裝置在驗(yàn)封作業(yè)結(jié)束的快速解鎖和復(fù)位。

3） 調(diào)節(jié)環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠筒精確的壓縮行程控制，可以驗(yàn)證膠筒在不同壓縮量情況下的密封能力，以指導(dǎo)在封隔器設(shè)計(jì)中坐封機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

4） 裝置中設(shè)計(jì)了可快捷更換的膠筒心軸和試驗(yàn)套管，適用于不同內(nèi)外徑尺寸的系列膠筒驗(yàn)證，使試驗(yàn)裝置可適用的膠筒范圍更廣。

5） 試驗(yàn)裝置坐封及驗(yàn)封機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及坐封和驗(yàn)封的壓力范圍完全模擬了膠筒在封隔器中的實(shí)際工況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用于封隔器的驗(yàn)證，簡(jiǎn)化了封隔器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，大幅降低了試驗(yàn)的成本。

2 試驗(yàn)與應(yīng)用

2.1 功能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證膠筒試驗(yàn)裝置的壓縮行程和承壓能力等是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)膠筒試驗(yàn)裝置進(jìn)行多次試驗(yàn)，試驗(yàn)主要分為密封和功能試驗(yàn)。

1） 密封試驗(yàn)主要驗(yàn)證裝置的各密封件的密封能力，分別需要對(duì)坐封及驗(yàn)封2個(gè)密封腔室進(jìn)行驗(yàn)證。裝置預(yù)先不裝膠筒及膠筒座，將調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)至最小行程位置，按照坐封程序，先低壓后高壓進(jìn)行驗(yàn)證；驗(yàn)封腔室的試驗(yàn)則通過上、下?lián)醐h(huán)上的密封孔進(jìn)行加壓驗(yàn)證即可。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的密封能力符合設(shè)計(jì)要求。

2） 功能試驗(yàn)主要是通過反復(fù)拆裝以及各單項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置的坐封機(jī)構(gòu)、行程設(shè)置機(jī)構(gòu)、實(shí)時(shí)鎖緊和快速?gòu)?fù)位機(jī)構(gòu)、膠筒替換機(jī)構(gòu)、雙向驗(yàn)封機(jī)構(gòu)等是否滿足其對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的各組成機(jī)構(gòu)均符合設(shè)計(jì)要求，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖片如圖2所示。

圖2 膠筒試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖片

2.2 工程應(yīng)用

將膠筒按照組裝要求安裝在膠筒試驗(yàn)裝置上，并連接好加壓管線，并按照設(shè)計(jì)的壓力梯度加壓，完成膠筒坐封過程。此時(shí)，測(cè)量坐封最大行程33 mm。正反雙向試壓35 MPa，穩(wěn)壓10 min，壓力不降，裝置行程和承壓能力滿足設(shè)計(jì)要求。

膠筒試驗(yàn)裝置解決了以前只能通過頂部封隔器、隔離封隔器配合使用才能完成對(duì)膠筒密封性能進(jìn)行檢驗(yàn)的局限，工作效率大幅提高。通過對(duì)單膠筒和三膠筒各3組共計(jì)6組的試驗(yàn)時(shí)效對(duì)比（如表1），試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)時(shí)效比傳統(tǒng)與封隔器進(jìn)行組裝的試驗(yàn)時(shí)效平均提高了300%。

表1 試驗(yàn)裝置時(shí)效對(duì)比h

膠筒試驗(yàn)裝置成功后，已經(jīng)成功應(yīng)用于工具研制等科研項(xiàng)目中，僅2012年就累計(jì)完成了70余次各類膠筒的試驗(yàn)，試驗(yàn)成功率達(dá)95%。

3 結(jié)論

1） 封隔器膠筒試驗(yàn)裝置可以完全模擬封隔器膠筒的工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠筒壓縮行程與密封性能關(guān)系的檢驗(yàn)。

2） 封隔器膠筒試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，解決了以前只能通過封隔器配合使用才能完成對(duì)膠筒密封性能進(jìn)行檢驗(yàn)的局限，極大地降低了膠筒試驗(yàn)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3） 膠筒試驗(yàn)裝置中預(yù)設(shè)壓縮行程設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)鎖緊和快速解鎖復(fù)位設(shè)計(jì)、環(huán)空雙向驗(yàn)封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械壓縮和液體壓縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，具有較強(qiáng)的可拓展性。

［1］ 張勁，李煒，張士誠(chéng).封隔器超彈性膠筒力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（8）：71-76.

［2］ 仝少凱.壓縮式封隔器膠筒力學(xué)性能分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（12）：1-7.

［3］ 侯宗，毛道華，朱建民，等.封隔器壓縮膠筒“防突”新結(jié)構(gòu)［J］.石油機(jī)械，2002，30（9）：49-51.

［4］ 呂占國(guó)，仝少凱.封隔器壓縮式膠筒剪切流變特性探討［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（3）：46-50.

［5］ 唐海雄，馮定，張俊斌.封隔器工作性能室內(nèi)試驗(yàn)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2009，31（3）：154-156.

Design and Application of Packer Rubber Tube Test Device in Offshore Completion

LIU Chuan-gang，KONG Xue-yun，MA Ren-qi，BAO Chen-yi，YAN Wei
（Ener Tech-Drilling&Production Co.，CNOOC，Tianjin 300452，China）

Independent LY designed packer rubber tube test device can inspect the single rubber tube and multi-rubber tube sealing performance through mechanical compression and hydraulic compression to rubber tube，which has the functions of quickly locking and resetting，presetting compression length and two-way sealing test.Experiment and application results show that the device with strong practicability and easy operability can solve the problem of the whole packer structure needed for rubber tube sealing performance test in the past.

test device；packer rubber tube；sealing；compression length

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.021

1001-3482（2014）07-0081-03

2014-01-21

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“完井防砂工具系列化及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用”（2011ZX05057-002-004）；中國(guó)海洋石油總公司項(xiàng)目“完井防砂系列工具研制II期”（CNOOC-KJ125ZDXM12LTD03JDJL2011）

劉傳剛（1982-），男，山東德州人，工程師，主要從事海洋石油鉆井、完井、修井井下工具方面的研究，E-mail：liuchg＠cnooc.com.cn。