一種新型插入密封的研究

李淑濤， 周　云

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司， 天津 300452； 2.上海海事大學(xué)， 上海 201306)

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一種新型插入密封的研究

李淑濤1， 周云2

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司， 天津 300452； 2.上海海事大學(xué)， 上海 201306)

摘要：目前隨著石油開采的不斷深入，修井的次數(shù)以及需要修井的油井?dāng)?shù)量越來越多。在修井的過程中，更換插入密封是必要的工作，但是在更換插入密封的過程中，有很大一部分生產(chǎn)井在驗封時無法實現(xiàn)密封，將管柱取出后發(fā)現(xiàn)是由于密封筒出現(xiàn)損傷或者大面積的腐蝕而造成的，唯一的解決方法是再次更換密封筒，這將造成長時間的停產(chǎn)，以及需要投入巨大的成本來完成取出管柱、更換密封筒、再次下入管注、下入新的插入密封、驗封等工作，這將大幅的增加作業(yè)成本，延長停產(chǎn)檢修時間，給正常生產(chǎn)造成極大的不便。為此，研制一種新型的插入密封，在不需要更換受損或者腐蝕的密封筒的情況下，能夠?qū)Σ迦朊芊鈱崿F(xiàn)密封，即可大幅減少作業(yè)成本，減少停機檢修的時間。

關(guān)鍵詞：修井； 密封筒； 作業(yè)成本； 停機檢修； 新型密封

0引言

目前隨著石油開采的不斷深入，前期投產(chǎn)的開發(fā)井需要進行修井的井?dāng)?shù)以及修井的數(shù)量越來越多。在修井的過程中，除了進行洗井，更換必要的油管以外，更換插入密封是必要的工作，可是在實際工作中，有很大一部分井完成插入密封的更換后，進行驗封時無法實現(xiàn)密封，將管柱取出后并分析得出結(jié)論，導(dǎo)致不能密封的原因是密封筒出現(xiàn)損傷或者大面積的腐蝕，在現(xiàn)有的的技術(shù)條件下只能采取再次更換密封筒的方法解決問題，為此，研制一種新型的插入密封，在不需要更換受損或者腐蝕的密封筒的情況下，能夠?qū)Σ迦朊芊鈱崿F(xiàn)密封，可大幅減少作業(yè)成本，減少停機檢修的時間。通過分析各種井下工具的工作原理，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)密封的方式有多種，各有各的密封條件，其中采用密封模塊或者采用密封圈的方式，要求具有較高表面質(zhì)量的配合面，采用密封膠筒則需要施加額外壓力，但是對配合的表面質(zhì)量要求不高，其中封隔器的密封采用密封膠筒的方式進行密封，密封環(huán)境是在套管的內(nèi)壁上，并且套管的內(nèi)壁光潔度很差。因此，將封隔器的密封形式與插入密封的密封形式相結(jié)合進行了特殊插入密封的設(shè)計。

1新型插入密封的原理

普通的插入密封如圖1所示，是通過密封模塊與密封筒內(nèi)徑之間的過盈量來實現(xiàn)密封的，其前提是：

(1) 密封筒內(nèi)孔具有較高的表面質(zhì)量，在加工時需要絎磨或者滾壓以達到0.8的光潔度，不得出現(xiàn)任何的損傷或者腐蝕。

(2) 密封模塊的過盈量要控制到一定的范圍，不能太大，如若密封模塊過盈量大，在插入密封時，會出現(xiàn)劃傷，過小則無法實現(xiàn)密封。

這種結(jié)構(gòu)形式就意味著只要密封筒出現(xiàn)損傷或者腐蝕便無法實現(xiàn)密封，只能更換密封筒。

圖1　普通插入密封與密封筒組合的示意圖

普通插入密封對橡膠的要求較高，具體要求如下：

(1) 橡膠材料為氫化丁氰橡膠(HBR)；

(2) 橡膠耐溫要求較高，一般非高溫井要求耐溫120℃，高溫井要求耐溫200℃以上；

(3) 橡膠硬度要求在邵氏90°；

(4) 橡膠要求具有良好的耐磨性能；

(5) 橡膠與金屬支撐架之間需要較強的粘合力。

依據(jù)上述要求，對橡膠的混煉以及把橡膠硫化到金屬支撐環(huán)的硫化工藝要求很高，目前我國的橡膠混煉的技術(shù)以及硫化工藝水平一般，試制的密封模塊主要存在橡膠耐磨性能不好以及橡膠與金屬支撐環(huán)之間的粘合力不夠等問題，在井下使用時出現(xiàn)橡膠脫離的現(xiàn)象，造成無法實現(xiàn)密封的后果，因此密封模塊仍然依賴進口。

普通插入密封的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，因此，目前插入密封仍然使用普通插入密封的結(jié)構(gòu)形式。

在完井過程中需要在管柱內(nèi)實現(xiàn)密封的工具有很多，井下封隔器、橋塞等工具都是需要在井下管柱內(nèi)實現(xiàn)坐封，它們都具有一個共同點：管柱的內(nèi)壁光潔度不高。井下封隔器以及橋塞的坐封原里如圖2所示。

圖2　橋塞結(jié)構(gòu)示意圖

橋塞的坐封是通過液壓推動上下錐體的移動擠壓來實現(xiàn)密封，那就對管柱內(nèi)壁的表面質(zhì)量要求不高。

通過上述分析，將封隔器或者橋塞的工作原理與普通插入密封的原理相結(jié)合，使新型插入密封具有普通插入密封的快捷操作性，又具有良好的密封性能。

在修井過程中，并不是每一口井都需要更換密封筒，也不可能先取出密封筒進行檢查，因此設(shè)計的新型插入密封具有普通插入密封的功能，在作業(yè)時，不管密封筒是否損傷或者腐蝕，只需將要更換的插入密封更換為新型插入密封，然后進行打壓驗封工作。如果沒有出現(xiàn)泄露，驗封成功，說明密封筒未出現(xiàn)損傷或者腐蝕；如果出現(xiàn)泄露，驗封失敗，但是也不需要將新型插入密封取出，只需要向攜帶插入密封的管柱內(nèi)投入可溶解球，然后打壓，通過第二種坐封方式將膠筒擠壓實現(xiàn)坐封，然后在驗封即可。

2新型插入密封的設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計

根據(jù)上述制定的設(shè)計原理，可將新型的插入密封設(shè)計為如圖3所示的結(jié)構(gòu)。

圖3　新型插入密封的三維設(shè)計圖

2.2新型插入密封的工作原理及過程

下入新型插入密封后，如果驗封成功，說明密封模塊與密封筒之間能實現(xiàn)良好的密封，就無需再進行后續(xù)的動作，只需要按照修井的工作計劃，進行下一步的工作，如果無法實現(xiàn)坐封，那么從攜帶管柱內(nèi)孔中投入可溶解球(在新型插入密封下端連接有球座)，然后從內(nèi)孔打壓，壓力從本體上的傳壓孔傳遞到上推筒，推動鎖環(huán)與下推筒向下移動至定位螺栓，擠壓膠筒，從而實現(xiàn)坐封。完成后泄壓，再次注入溶解液，溶解球即可實現(xiàn)溶解，作業(yè)完成。鎖環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，具有止回的特性，在泄壓后，膠筒保持?jǐn)D壓狀態(tài)。

圖4　鎖環(huán)示意圖

2.3新型插入密封材料的的選擇

(1) 該插入密封的密封模塊可采用普通插入密封的密封模塊的形式，同時對國外進口的密封模塊進行分析，包括橡膠組分以及力學(xué)性能分析，與國內(nèi)的知名橡膠研究所進行合作，制定了合理的橡膠混煉工藝和硫化工藝，經(jīng)過反復(fù)的耐溫試驗、油浸試驗、水浸試驗以及撕裂拉拔試驗，最終取得突破，完成合格的密封模塊的制作。

密封膠筒的選擇可參照封隔器或者橋塞的膠筒進行選擇。目前我國在封隔器的研發(fā)中已經(jīng)取得了較大的進步，國產(chǎn)封隔器已經(jīng)是完井工具中的成熟產(chǎn)品，其膠筒的制作工藝已相當(dāng)成熟。

(2) 插入密封本體、錐體以及推筒的材料與普通插入密封的材料一致，在普通的油井或者注水井使用時，采用4145H，其具有較強的韌性與較高的強度，完全能滿足需求，如果在防腐井中使用，材料則根據(jù)井中腐蝕介質(zhì)的組分而定，主要是CO2和H2S兩種介質(zhì)，材料一般在13Cr和3Cr兩種材料之間選擇。

(3) 鎖環(huán)即要求較高的彈性又要有一定的強度，在一般井中使用時，材料可以選擇5CrNiMo或者4145H，在使用過程中，由于鎖環(huán)要求緊鎖在本體上，那么鎖環(huán)在加工完成之后，應(yīng)該向內(nèi)收縮，而不是向外張開，這就要求具有先進的熱處理工藝。在防腐井中使用時，材料只能采用13Cr或者3Cr。目前我國在材料方面取得了較好的發(fā)展，熱處理工藝方面有了長足的進步，完全可以滿足需求。

(4) 定位螺栓以及安全螺栓，經(jīng)過計算，采用42CrMo調(diào)質(zhì)鋼即可滿足需求。

3新型插入密封設(shè)計的可加工性

新型插入密封設(shè)計裝配總長800 mm，這就意味著零件長度最長不超過800 mm，在加工長度上沒有任何問題。其設(shè)計通徑以及最大外徑與普通的插入密封相同，這就意味著設(shè)計空間有限，每件零件的壁厚較薄，在加工過程中容易出現(xiàn)變形，變形的形式一般表現(xiàn)為出現(xiàn)橢圓的現(xiàn)象。在完井工具的設(shè)計當(dāng)中，可以通過設(shè)計加工胎具或者改變加工工藝等手段來解決，設(shè)計具有較強的可加工性。

其中最難做的零件是便是鎖環(huán)，圖5為鎖環(huán)加工示意圖。

圖5　鎖環(huán)加工示意圖

從圖5中可以看出，整個鎖環(huán)壁厚只有6 mm，在加工完內(nèi)外螺紋后，只有1.5 mm厚，因此，工件在加工完成后將會出現(xiàn)橢圓、扭矩等問題，如何解決這些問題將成為關(guān)鍵因素。

(1) 從加工工藝上進行調(diào)整

(a) 熱處理前留量粗加工時，增加留量，一般工件內(nèi)外徑各留量2 mm，該工件的留量至少增加到5 mm，從而保證熱處理過程中不會出現(xiàn)變形。熱處理的淬透深度可達30 mm，單邊留量5 mm。

(b) 鎖環(huán)外徑上的螺紋螺距較大，在加工過程中其所承受的切削力較大，為此采用先加工精車外徑、加工外螺紋，最后精車內(nèi)徑、加工內(nèi)螺紋的方式來保證在加工過程中不會出現(xiàn)因為切削力的原因而造成的橢圓變形。

(c) 在加工過程中，由于工件本身具有較小的壁厚，因此會出現(xiàn)由于車床的夾持而造成變形。該問題的解決方式主要是采用設(shè)計加工胎具，通過對鎖環(huán)尺寸的分析，其胎具將設(shè)計成兩部分，在加工外徑以及車外螺紋時，設(shè)計一套內(nèi)徑支撐架，裝夾在內(nèi)徑上，從而提供足夠的支撐力來抵消夾持以及切削帶來的力。在加工內(nèi)徑以及內(nèi)螺紋時設(shè)計一個外卡套，從而保證在夾持時抵消夾持力以及切削力。

(2) 從熱處理工藝方面進行調(diào)整

在工件加工完成之后出現(xiàn)扭曲的原因在于工件在流量粗車熱處理后再工件內(nèi)部存有較大的方向不定的內(nèi)應(yīng)力，因此只有消除內(nèi)應(yīng)力或者控制熱處理的工藝來達到較小的內(nèi)應(yīng)力，才能解決扭曲變形。

(a) 在熱處理后對工件進行拋光處理，消除內(nèi)應(yīng)力，但是這個方案具有一個前提就是留有足夠大的加工余量，從而保證能夠抵消由于內(nèi)應(yīng)力的消失而造成的變形量。

(b) 制定合理的熱處理工藝，從溫度、淬火介質(zhì)、冷卻溫度、冷卻方式以及冷卻介質(zhì)等方面嚴(yán)格的控制，從而減小熱處理過程中帶來的內(nèi)應(yīng)力。

(c) 采用將兩者進行組合的方式。

4結(jié)論

該新型插入密封將兩種不同的密封形式合理的結(jié)合起來，使得所設(shè)計的新型插入密封具有兩種密封的特性，從而使新型插入密封可適應(yīng)兩種不同的密封環(huán)境(具有高表面質(zhì)量的配合面和配合面表面質(zhì)量差的環(huán)境)，完全解決修井過程中因密封損傷或腐蝕而需要更換帶來的巨大的修井成本和長時間停機檢修的問題，工作過程簡單，設(shè)計具有很高的可加工性，因此該型插入密封會在修井作業(yè)中得到推廣，大幅度地降低因更換密封筒而帶來的長時間停產(chǎn)檢修時間，降低檢修成本。

參考文獻

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The Research of a New Kind of the Insert Seal

LI Shu-tao1， ZHOU Yun2

(1.Equipment and Technical Limited Company, Energy Technical CNOOC, Tianjin 300452, China；2.Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract：with the current development of oil production, the number and frequency of workover is steadily on the increase. During the workover process, it is necessary to replace the inserted seals, but a large proportion of new seals are invalid after the replacement. By taking out the tubular column, is discovered that the sealing tube are damaged or corroded. The sealing tube has to be changed, but it will lead to production stopping, cost increasing and time expanding. It will be needed to design a kind of inserted seals which can achieve sealing effect without changing sealing tube, then reduce operating costs and improve operational efficiency.

Keywords：workover； sealing tube； production stopping； new kind of seal

中圖分類號:TG722

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0096-05

作者簡介：李淑濤(1980-)，男，工程師。

收稿日期：2016-01-15