環(huán)空防噴器膠筒密封性能影響因素研究

白云龍

（長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽(yáng)745100）

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環(huán)空防噴器膠筒密封性能影響因素研究

白云龍

（長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽(yáng)745100）

摘要：以井下環(huán)空防噴器膠筒為研究對(duì)象，利用柔性密封理論，通過(guò)膠筒工作時(shí)的受力分析，對(duì)影響井下環(huán)空防噴器膠筒密封性能的因素進(jìn)行了分析，建立了井下環(huán)空防噴器柔性密封性能的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)不同過(guò)流面積下的環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到膠筒表面的壓力和流速變化曲線，為分析現(xiàn)場(chǎng)膠筒坐封方法提供理論參考。

關(guān)鍵詞：井下環(huán)空防噴器；膠筒；柔性密封；密封性能

對(duì)于氣體和液體的密封，密封形式一般分為剛性密封和柔性密封。環(huán)空防噴器在井涌或井噴時(shí)阻止環(huán)空中的液體向井口方向流動(dòng)，也是屬于密封。由于環(huán)空防噴器的密封件一般為橡膠制成的膠筒，因此該密封屬于柔性密封。對(duì)于井下環(huán)空防噴器，被密封面是套管井壁或裸眼井壁，在膠筒膨脹擠壓力的作用下，套管會(huì)發(fā)生輕微變形；而裸眼井壁是極不規(guī)則的，井壁上不牢靠的巖石等在膠筒壓力的作用下很容易脫落，使被密封面發(fā)生很大的變化。因此，對(duì)于井下環(huán)空防噴器的柔性密封，被密封面的結(jié)構(gòu)尺寸范圍較大，對(duì)密封提出了更高的要求。

1 膠筒受力分析

本文針對(duì)壓縮式膠筒，主要分析壓縮式膠筒的受力情況。井下環(huán)空防噴器的膠筒受力一般分為未坐封、初坐封和完全坐封3個(gè)階段。

1.1 坐封前受力分析

在未發(fā)生井噴或井涌的情況下，防噴器固定在鉆桿上，隨鉆桿一起旋轉(zhuǎn)工作。此時(shí)的膠筒受力簡(jiǎn)單，在坐封開(kāi)始前，膠筒所受的力有：①膠筒外部流動(dòng)的鉆井液對(duì)膠筒產(chǎn)生的壓力，此壓力由液柱高度產(chǎn)生的壓力和由鉆井液流過(guò)膠筒外表面產(chǎn)生的摩擦力2部分組成，在由液柱高度產(chǎn)生的壓力作用下使膠筒產(chǎn)生徑向壓縮，該壓力的大小由膠筒在鉆井液中的沉浸度和鉆井液的密度決定；②鉆柱與膠筒內(nèi)壁之間的摩擦力；③隨鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。

1.2 坐封過(guò)程受力分析

根據(jù)膠筒不同的受力情況，可將坐封過(guò)程分為初坐封和完全坐封2個(gè)階段。初坐封階段是指膠筒從受到坐封力開(kāi)始至膠筒外壁與井壁開(kāi)始接觸；完全坐封階段是指膠筒外壁與井壁開(kāi)始接觸到完全密封環(huán)空中流動(dòng)的液體。初坐封階段所受的力如圖1所示，主要包括：坐封力；鉆井液對(duì)膠筒的壓力和摩擦力；膠筒內(nèi)壁與鉆柱之間的摩擦力。完全坐封階段所受的力如圖2所示，主要包括：坐封力；井壁對(duì)膠筒的壓力和摩擦力；膠筒內(nèi)壁與鉆柱之間的摩擦力；膠筒上下所受液體的壓力。

圖1　初坐封階段受力

圖2　完全坐封階段受力

防噴器進(jìn)行坐封時(shí)，井下已經(jīng)發(fā)生了井噴或井涌，井下壓力升高，流過(guò)膠筒表面的流體流速和壓力均已提高，如果不考慮流體的流速和壓力對(duì)膠筒的影響，按正常鉆井工作狀態(tài)下的工況去分析膠筒在坐封過(guò)程中所受的力，就不能滿(mǎn)足實(shí)際坐封時(shí)所需要的力，從而達(dá)不到膠筒的密封性能。為了確保防噴器膠筒能夠正常工作，必須弄清楚影響膠筒坐封載荷的主要因素。

坐封過(guò)程中所受到的力除了坐封前所受力之外，還有將膠筒壓縮到與井壁接觸所需的軸向力，即坐封力。需要注意的是，由于在對(duì)膠筒進(jìn)行壓縮的過(guò)程中，膠筒被壓縮變形，與井壁之間的長(zhǎng)度逐漸減小，造成液體流過(guò)膠筒與井壁之間的流通面積逐漸減小，流速也隨之增加，從而作用在膠筒外表面的力也隨之變化；井噴時(shí)液體的壓力和流速很高，所以由流體流速和壓力的變化所產(chǎn)生的影響不應(yīng)忽略。但此影響是一個(gè)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，且膠筒與液體相互影響，用一般的方法很難求出準(zhǔn)確的解，因此坐封載荷便很難求出。

1.3 坐封完成后受力分析

坐封完成之后，膠筒下部與上部形成壓差，膠筒與井壁緊密接觸，受到井壁對(duì)膠筒徑向壓力。由于上下壓差的作用，膠筒有向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，同時(shí)膠筒內(nèi)表面與鉆柱緊密接觸，外表面與井壁緊密接觸，在徑向壓力和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的共同作用下，膠筒會(huì)受到沿內(nèi)外壁面向下的摩擦力。由于裸眼井壁的凹凸不平，膠筒的工作環(huán)境更加惡劣，從而膠筒的受力情況就變得更為復(fù)雜。

2 摩擦因數(shù)的影響

由于井下情況復(fù)雜，井壁上有泥餅、巖屑等，特別是裸眼井壁中，井壁凹凸不平，呈現(xiàn)不規(guī)則圓形，因此膠筒和井壁之間的摩擦因數(shù)很難確定，基于此情況，有必要分析摩擦因數(shù)與膠筒接觸應(yīng)力的關(guān)系。

環(huán)空防噴器的功能主要依靠膠筒與井壁之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)，即摩擦力越大，防噴性能就越好。在相同坐封力的作用下，隨著摩擦因數(shù)的增加，產(chǎn)生的摩擦力也將隨之增大，但不是摩擦因數(shù)越大越好，過(guò)大的摩擦因數(shù)會(huì)增加坐封過(guò)程中膠筒與井壁之間的軸向摩擦力，增大膠筒的軸向變形，影響密封性能；而且過(guò)大的摩擦力也將加大膠筒與井壁之間的磨損，甚至在坐封過(guò)程中損毀膠筒，降低膠筒的使用性能。對(duì)于不同井底工況，在確保防噴性能可靠的前提下，應(yīng)盡量減小摩擦因數(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膠筒的研究主要集中在普通橡膠和封隔器的摩擦機(jī)理上，對(duì)于井下環(huán)空防噴器膠筒摩擦因數(shù)的研究很少，而這正是研究膠筒密封性能的關(guān)鍵。

3 膠筒受剪切力分析

井下環(huán)空防噴器膠筒在工作階段承受壓差作用，膠筒工作性能的好壞直接關(guān)系到環(huán)空防噴器能否正常工作。膠筒在坐封以后，下表面在軸向力壓差△p作用下，膠筒與井壁之間除了受徑向力作用以外，還有剪切力，這時(shí)剪切力與軸向力壓差△p相平衡［1］。一般情況下將剪切力看做是在膠筒表面均勻分布，但這與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)不符。

膠筒的軸向應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)其他應(yīng)力分布狀態(tài)有著較大影響。由分析可知：膠筒所受剪應(yīng)力分布狀況受膠筒所受軸向應(yīng)力分布的影響，當(dāng)軸向應(yīng)力按一次冪函數(shù)分布時(shí)，剪應(yīng)力為定值，但這與膠筒所受的實(shí)際剪切力不符，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)出膠筒所受的剪切應(yīng)力；當(dāng)把膠筒所受的軸向應(yīng)力以二次冪函數(shù)的形式表述時(shí)，計(jì)算得出的膠筒所受的剪切力為線性分布，該方法可以較為準(zhǔn)確底反映出膠筒所受剪切應(yīng)力的分布。

4 水擊壓力對(duì)防噴器膠筒的影響

當(dāng)發(fā)生井涌或者井噴時(shí)，外力使環(huán)空防噴器膠筒在短時(shí)間內(nèi)變形充滿(mǎn)環(huán)空，使井涌或井噴時(shí)的液體不再向井口流動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，環(huán)空內(nèi)部壓力和流速發(fā)生突變，在防噴器膠筒的下表面造成很大的水擊現(xiàn)象。水擊壓力的存在也對(duì)井下環(huán)空防噴器的坐封過(guò)程和密封性能產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)井內(nèi)井涌或井噴時(shí)的流量不同，產(chǎn)生的水擊壓力也不同，有時(shí)會(huì)有20MPa的水擊壓力，會(huì)增加膠筒所受的壓差和膠筒坐封的難度。由對(duì)水擊力的研究可知：延長(zhǎng)膠筒坐封時(shí)間將減小水擊力，但會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的地層流體侵入井眼，從而產(chǎn)生附加壓降，增大套管鞋處地層被壓裂損壞的危險(xiǎn)，增加下一步壓井作業(yè)難度［2］。

當(dāng)井下發(fā)生井涌或者井噴時(shí)，需要膠筒坐封關(guān)閉環(huán)空通道，在環(huán)空中流體的流速由溢流量來(lái)決定，其范圍較大，通常在零點(diǎn)幾米每秒到幾十米每秒之間。當(dāng)遇到高壓地層時(shí)，流體的流速會(huì)變更大，通過(guò)文獻(xiàn)可知同流速下的水擊壓力的大?。?-4］。

水擊壓力隨環(huán)空流速的變化曲線如圖3，可以看出：隨著流體流速的增加，坐封后井內(nèi)水擊壓力呈線性趨勢(shì)增加，說(shuō)明水擊壓力對(duì)膠筒的沖擊較為嚴(yán)重；當(dāng)流速比較小時(shí)，膠筒下表面產(chǎn)生的壓力只有幾兆帕，但當(dāng)流速較大時(shí)，會(huì)有十幾兆帕的沖擊力。

圖3　水擊壓力隨環(huán)空流速變化曲線

5 膠筒環(huán)空流場(chǎng)模擬

為了研究在坐封過(guò)程中由于膠筒與環(huán)空中的流通面積逐漸減少帶來(lái)的流速增加和流體對(duì)膠筒壓力增加，通過(guò)對(duì)膠筒附近環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，從而提出防噴器膠筒坐封時(shí)的控制方法，以降低沖擊載荷壓力對(duì)膠筒坐封的影響。

在坐封過(guò)程中，流體對(duì)防噴器膠筒所產(chǎn)生的壓力受到很多因素的影響，包括環(huán)空中流體流速、流體百分含量和膠筒與環(huán)空的不同流通面積等。對(duì)瞬時(shí)變化過(guò)程流速和流體壓力的計(jì)算，流場(chǎng)形狀的影響最大，不同過(guò)流面積的流場(chǎng)決定了其對(duì)膠筒邊界壓力的大小［3］?？紤]到井涌或井噴時(shí)底層氣體侵入量的不同，若遇到異常地層高壓，就使得坐封時(shí)環(huán)空內(nèi)流速可能有很大的變化，對(duì)流場(chǎng)的壓力也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，從而影響到膠筒的坐封。

為此，通過(guò)對(duì)不同過(guò)流面積下的環(huán)空流場(chǎng)進(jìn)行模擬，求出膠筒表面的壓力和流速變化曲線，為現(xiàn)場(chǎng)膠筒坐封方法提供理論參考。

5.1 建立環(huán)空防噴器流場(chǎng)模型

5.1.1 實(shí)體模型的建立

在環(huán)空防噴器坐封過(guò)程中，不同時(shí)刻防噴器膠筒與井壁間的流通面積也不相同，對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立膠筒離井壁距離為3～19mm不同流通面積下的三維流場(chǎng)實(shí)體模型來(lái)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬。其中，距井壁19mm情況下的流場(chǎng)模型如圖4所示。

圖4　流場(chǎng)模型

5.1.2 網(wǎng)格模型

本文采用IC E M C F D劃分網(wǎng)格，采用四面體單元進(jìn)行三維流體數(shù)值計(jì)算。在網(wǎng)格劃分時(shí)為了提高網(wǎng)格質(zhì)量和使計(jì)算快速收斂，分別細(xì)化了進(jìn)、出口位置和膠筒位置的網(wǎng)格尺寸。

5.1.3 邊界條件

為研究不同過(guò)流面積下膠筒所受到的流場(chǎng)壓力和流速，初始邊界條件為：膠筒與井壁距離分別取3、6、9、12、15、19mm；進(jìn)口液體速度5 m/s，出口壓力30MPa。

5.2 不同過(guò)流面積對(duì)流場(chǎng)壓力的影響

由于井涌或井噴過(guò)程中，膠筒坐封需要一定時(shí)間，關(guān)閉環(huán)空過(guò)程中膠筒處的壓力會(huì)不斷變化。因此，選取膠筒與井壁不同距離的情況進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上得出膠筒所受壓力變化規(guī)律。本文以3mm和19mm 2種情況下有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5～8所示。

圖5　膠筒與井壁距離3mm時(shí)環(huán)空速度云圖

圖6　膠筒與井壁距離19mm時(shí)環(huán)空速度云圖

由圖5～6可知：當(dāng)膠筒與井壁距離為3mm時(shí)，膠筒處的過(guò)流面積急劇減小，流體流過(guò)時(shí)會(huì)在此區(qū)域形成1個(gè)高速流區(qū)，最高達(dá)65 m/s，比膠筒下部流體流速大很多；當(dāng)膠筒與井壁距離為19mm時(shí)，由于流通面積相對(duì)較大，環(huán)空內(nèi)流場(chǎng)形狀變化不大，整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域除膠筒處分布較為均勾，膠筒處流速較大，高速流體充滿(mǎn)整個(gè)區(qū)域，整體速度較小。

圖7　膠筒與井壁距離3mm環(huán)空壓力云圖

圖8　膠筒與井壁距離19mm環(huán)空壓力云圖

由圖7～8可知：當(dāng)膠筒側(cè)壁與井壁的距離為3mm時(shí)，由于膠筒與井壁過(guò)流面積的減小，高速流體在與膠筒的橫截面接觸時(shí)的速度會(huì)驟然降低為零，在膠筒下會(huì)形成一個(gè)高壓區(qū)，對(duì)膠筒下端產(chǎn)生一個(gè)很大的作用力，增加坐封的難度；當(dāng)膠筒側(cè)壁與井壁的距離為19mm時(shí)，由于流體的上運(yùn)動(dòng)，其壓力自下而上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此，進(jìn)口端壓力最大，出口端的壓力為最小，井壁中的流體在沒(méi)有與膠筒接觸之前壓力已經(jīng)減小，對(duì)膠筒產(chǎn)生的壓力也相對(duì)較小。

5.3 模擬結(jié)果分析

膠簡(jiǎn)下表面壓力變化曲線如圖9所示，可以看出：隨著距離的減小，膠筒下表面處所受的壓力逐漸增大，并在接近關(guān)閉時(shí)刻時(shí)壓力有了顯著增加，說(shuō)明防噴器坐封過(guò)程的最后階段所承受沖擊壓力較大。因此，環(huán)空防噴器應(yīng)優(yōu)先采用“先快后慢”的坐封方式，從而可以減小坐封的難度。

圖9　膠簡(jiǎn)下表面壓力變化曲線

6 結(jié)論

1） 運(yùn)用柔性密封機(jī)理對(duì)影響井下環(huán)空防噴器密封性能的因素進(jìn)行了分析，為研究環(huán)空防噴器密封性能提供參考。

2） 對(duì)防噴器膠筒在工作過(guò)程中各階段進(jìn)行了受力分析，并從理論上研究了摩擦因數(shù)、膠筒所受剪切力對(duì)膠筒的影響。

3） 分析了坐封過(guò)程中和坐封后流場(chǎng)壓力對(duì)坐封的影響，通過(guò)數(shù)值仿真的方法得出了密封過(guò)程流場(chǎng)壓力的變化，并根據(jù)其變化特點(diǎn)提出了“先快后慢”的坐封方法。

參考文獻(xiàn)：

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Study on Influential Factors of Annular BOP Sealing Performance

B AI YUnlong
（No.2 Production Plɑnt，Chɑngqing Oilfield Compɑny，Qingyɑng 745100，Chinɑ）

Abstract：In this paper，based on the dow nhole annular rubber cylinders as an example，using a flexible sealing theory to analyze the forces at work in the plastic tube，based on the factors affecting the dow nhole annular BOP rubber cylinders sealing performance is analyzed to build the mathematical model for flexible sealing performance of downhole annular BOP. Under different flow area through the annular flow field simulations are pressure and velocity curves on the rubber，rubber barrel offer theory reference.

Key Words：dow nhole annular BOP；rubber sleeve；flexible sealing；sealing performance

作者簡(jiǎn)介：白云龍（1982-），男，黑龍江海林人，工程師，主要從事油田設(shè)備管理工作。

收稿日期：2015-07-29

文章編號(hào)：1001-3482（2016）01-0024-04

中圖分類(lèi)號(hào)：T E931.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.006