海上油田隔離密封性能優(yōu)化研究及應(yīng)用

劉華偉，徐國(guó)雄，李孟超

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)公司 增產(chǎn)作業(yè)分公司，天津 300452)

海上油田隔離密封性能優(yōu)化研究及應(yīng)用

劉華偉，徐國(guó)雄，李孟超

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)公司 增產(chǎn)作業(yè)分公司，天津 300452)

針對(duì)海上油田生產(chǎn)井中出現(xiàn)的井下密封筒的磨損、劃傷及腐蝕導(dǎo)致插入密封容易失效的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型插入密封工具。介紹了該插入密封工具的結(jié)構(gòu)與工作原理；通過(guò)膠筒受力分析來(lái)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)主要零件進(jìn)行了有限元分析。在海上油田應(yīng)用壓力膨脹式插入密封，對(duì)其進(jìn)行坐封及驗(yàn)封。經(jīng)理論分析和試驗(yàn)證明：設(shè)計(jì)的壓力膨脹式插入密封工具滿(mǎn)足插入密封的技術(shù)指標(biāo)要求，并能在有缺陷的密封筒里實(shí)現(xiàn)有效密封。

密封筒；插入密封；壓力膨脹；坐封；驗(yàn)封；解封

在海上油田生產(chǎn)井中，隨著防砂管柱下入時(shí)間增長(zhǎng)，以及頻繁的修井起下管串作業(yè)，井下密封筒會(huì)出現(xiàn)磨損、劃傷或者腐蝕問(wèn)題。由于目前使用的常規(guī)插入密封模塊的膨脹量較小，在密封工作筒損傷腐蝕的部分油水井中，插入密封無(wú)法正常分層，層間出現(xiàn)不同程度的滲漏，嚴(yán)重時(shí)油水井分層開(kāi)采、分層注入功能失效，形成了“籠統(tǒng)開(kāi)采、籠統(tǒng)注水”的狀況。

通常，密封光筒在輕微腐蝕、磨損的情況下，插入密封就容易失效。對(duì)于密封筒損傷失效，海上油田還沒(méi)有很好的應(yīng)對(duì)措施。因此，需研究一種在井下密封筒輕微腐蝕、磨損情況下，無(wú)需大修、更換防砂管柱，仍能夠起到密封分層效果的新型密封工具。

1 密封筒受損機(jī)理分析

對(duì)隔離密封總成的密封筒的腐蝕、磨損情況進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。以10 mm的長(zhǎng)度進(jìn)行分段，將有缺陷的3個(gè)密封筒進(jìn)行No.1～10進(jìn)行標(biāo)定，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)(線)蝕的數(shù)目，然后，再將每一段分成2個(gè)區(qū)，并計(jì)算出每一區(qū)的所有點(diǎn)蝕的總深度。如表1所示。

表1 密封筒點(diǎn)(線)蝕數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，密封筒的點(diǎn)(線)密封光筒在輕微腐蝕、磨損的情況下，插入密封就容易失效。其原因?yàn)椋孩倜芊馔沧冃危虎诿芊馔矁?nèi)表面在軸向上有較大的劃痕；③密封筒內(nèi)表面腐蝕嚴(yán)重。

插入密封的膠筒在井下高溫、高壓的環(huán)境中容易腐蝕、磨損，特別是密封塊，更容易受到井下變載荷工況的影響。

膠筒為一粘彈性體，兼有彈性和粘性2種特性。在固定應(yīng)力下，表現(xiàn)出應(yīng)變隨時(shí)間增加而增加的蠕變現(xiàn)象及應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，所以膠筒經(jīng)初壓縮后，在載荷作用下繼續(xù)變形——發(fā)生“肩部突出”，并朝插入密封鋼體和套管之間流動(dòng)，導(dǎo)致接觸應(yīng)力下降。在變形一定的情況下，還會(huì)發(fā)生一種初接觸應(yīng)力隨時(shí)間而減小的現(xiàn)象(即應(yīng)力松弛)。這種應(yīng)力松弛分為物理應(yīng)力松弛和化學(xué)應(yīng)力松弛2個(gè)階段，它隨膠筒環(huán)境溫度的升高而加劇。對(duì)于圓柱形膠筒，應(yīng)力松弛甚至可達(dá)5%，此時(shí)插入密封即告失效[1-4]。

由于橡膠材料的蠕變效應(yīng)和松馳效應(yīng)，造成橡筒過(guò)度膨脹，磨損，脫落，使密封失效，因此，新型的插入密封既要保證膠筒有足夠的彈性，又要保證適當(dāng)?shù)挠捕?，才能保證密封可靠。

因密封筒失效而采取更換封隔器并重新進(jìn)行防砂的大修作業(yè)，單井作業(yè)成本在￥400萬(wàn)元以上，成本較高，且重新防砂作業(yè)會(huì)造成油井減產(chǎn)或水井減注。

2 新型插入密封組成與工作原理

新型插入密封由活塞、橡膠圈、銷(xiāo)釘?shù)冉M成，如圖1所示。

1—上接頭；2—限位釘；3—坐封剪釘；4—移動(dòng)活塞；5—膠筒；6—支撐卡瓦；7—剪切環(huán)；8—密封模塊；9—下接頭。圖1 插入密封總成

2.1 坐封原理

1) 向中心管施加坐封壓力。

2) 液體從中心管內(nèi)壁小孔進(jìn)入中心管與移動(dòng)活塞之間的環(huán)形空間。

3) 液壓逐漸增大達(dá)到坐封壓力，移動(dòng)活塞切斷坐封剪釘、向下移動(dòng)壓縮膠筒，壓縮膠筒受壓擴(kuò)張，密封中心管與工作筒的環(huán)形空間。

4) 壓縮橡膠下壓支撐卡瓦；支撐卡瓦本體的6個(gè)卡爪內(nèi)壁有棘齒，與移動(dòng)環(huán)外壁的棘齒配合，在棘齒的作用下，卡爪向外移動(dòng)，直到卡爪貼近工作筒內(nèi)壁為止；同時(shí)由于受到工作筒內(nèi)壁和棘齒的尺寸限制，支撐卡瓦不會(huì)向下移動(dòng)。

5) 由于限位釘?shù)淖饔?，移?dòng)活塞移動(dòng)至最大壓縮距時(shí)，不再移動(dòng)。

6) 移動(dòng)活塞本體的6個(gè)卡爪內(nèi)壁有棘齒，與中心管上的棘齒配合，確保移動(dòng)活塞單向滑動(dòng)(只允許向下移動(dòng))。

2.2 解封原理

1) 上提中心管。

2) 拉力逐漸增大，達(dá)到解封壓力，壓縮橡膠推動(dòng)支撐卡瓦與移動(dòng)環(huán)，切斷解封剪釘。支撐卡瓦與移動(dòng)環(huán)同時(shí)向下移動(dòng)一個(gè)壓縮距，壓縮膠筒徑向收縮、恢復(fù)原狀。

3) 如果拉力小于解封壓力，解封剪釘不會(huì)被剪斷。當(dāng)膨脹式插入密封被拔出工作筒后，支撐卡瓦的卡爪失去工作筒內(nèi)壁的約束，向下移動(dòng)一個(gè)壓縮距，壓縮膠筒徑向收縮、恢復(fù)原狀，同樣起到解封效果。

3 密封模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 膠筒的整體受力分析

處于工作狀態(tài)的膠筒軸向受力狀態(tài)如圖2所示。

圖2 膠筒受力分析

膠筒受力平衡方程為

(1)

式中：Fm為膠筒與套管間的摩擦力，N；Ft為膠筒的抗剪切力，N；Δp為膠筒承受的工作壓差，kPa；R2為膠筒外半徑，cm；R3為套管內(nèi)半徑，cm。

Fm、Ft由式(2)～(3)求得：

Ft=2πH0R2T

(2)

Fm=2πfH0R3prw

(3)

式中：T為橡膠所受剪應(yīng)力，kPa；f為膠筒與套管之間的靜摩擦因數(shù)；prw為膠筒與套管間的接觸應(yīng)力，kPa；H0為膠筒工作狀態(tài)下的長(zhǎng)度，cm。

將式(2)、(3)代入式(1)得：

(4)

壓縮式膠筒均為柱狀結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑、內(nèi)徑和高度。假設(shè)膠筒壓縮前后體積不變，則：

(5)

整理可得：

(6)

式中：R1為膠筒內(nèi)半徑，cm；H為膠筒自由高度，cm。

3.2 膠筒與套管間的接觸應(yīng)力

對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)已確定的膠筒，其能承受的壓差取決于接觸應(yīng)力prw。

工作膠筒一般處于穩(wěn)定變形階段，其接觸應(yīng)力由2部分組成[4]。

prw=pr+pr1

(7)

式中：pr為膠筒受機(jī)械軸向力坐封產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，kPa；pr1為膠筒受液壓壓差作用產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，kPa。

(8)

(9)

式中：μ為膠筒的泊松比；F為膠筒坐封時(shí)承受的軸向力，N；E為膠筒的彈性模量，kPa；pz為膠筒承受壓差時(shí)高壓端壓力，kPa。

將式(8)、(9)代入式(7)得：

(10)

3.3 膠筒坐封力

膠筒的坐封力為[5]

(11)

將式(11)代入式(10)得：

(12)

膠筒的自由高度H是由參數(shù)Δp，pz，f，T，R1，R2，R3來(lái)確定。

H=f(Δp，pz，f，T，R1，R2，R3)

(13)

套管內(nèi)半徑R3為確定值；膠筒外半徑R2可根據(jù)封隔器允許最大外徑確定；內(nèi)半徑R1可根據(jù)中心管允許最小外徑確定；橡膠的允許應(yīng)變[ε]應(yīng)小于0.3，一般取0.25。膠筒的剪應(yīng)力T，如果用膠筒允許剪應(yīng)力[t]代替，則Δp為最大耐壓差值，[t]=橡膠抗張強(qiáng)度/4。膠筒的剪應(yīng)力T取決于橡膠的抗張強(qiáng)度，與膠料的性能有關(guān)。82.55mm(3.25英寸)插入密封參數(shù)如表2所示。

表2 插入密封初始參數(shù)

計(jì)算可得：膠筒長(zhǎng)度為28.7mm；坐封壓差為8MPa；壓縮距為6mm。

3.4 強(qiáng)度校核

膠筒在3個(gè)方向應(yīng)力作用下工作，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核[6-9]。膠筒的合成應(yīng)力為

(14)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

σr=4.2MPa≤5.8MPa(許用應(yīng)力)

經(jīng)校核，膠筒強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3.5 有限元分析

對(duì)82.55mm(3.25英寸)插入密封移動(dòng)活塞建立3維模型[10-15]，利用Solidworks軟件的Simulation有限元分析模塊對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力和位移的分析，得到的應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 移動(dòng)活塞的應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，在工作壓差21MPa、坐封壓差8MPa作用下，活塞的最大應(yīng)力為528MPa，主要發(fā)生在活塞靠近膠筒的棘齒端，活塞其它部分的應(yīng)力分布比較均勻。因此，活塞失效部位將發(fā)生在移動(dòng)活塞移動(dòng)時(shí)的第一個(gè)棘齒上，在移動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)這個(gè)部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)其使用壽命。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與性能分析

以海上油田SZ36-1平臺(tái)的K30井為研究對(duì)象。壓力膨脹式插入密封在油井中與管柱的連接如圖4所示。

圖4 插入密封現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

連接各管線，啟動(dòng)泥漿泵油管內(nèi)正擠憋壓10MPa，坐封壓力，膨脹式定位密封，停泵放壓。倒流程，油套環(huán)空試壓15MPa，時(shí)間30min，壓力不降，合格。

恢復(fù)平臺(tái)注水，得到K30井應(yīng)用新型插入密封前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 K30井新型插入密封應(yīng)用前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)

從圖5可以看出，應(yīng)用前，平臺(tái)套壓0.4MPa，日注水量為200m3/d，少于平臺(tái)所需配注量582m3/d；應(yīng)用后，無(wú)套壓，注水量達(dá)到583m3/d，滿(mǎn)足配注量的要求。說(shuō)明新型插入密封能在有缺陷的密封筒里實(shí)現(xiàn)有效密封，解決了井下密封筒失效而無(wú)法分層注水的問(wèn)題。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的壓力活塞式插入密封工具結(jié)構(gòu)新穎、功能多樣且具有主動(dòng)密封功能。壓縮膠筒擴(kuò)徑后在遇到上一級(jí)密封段時(shí)，壓縮力自動(dòng)釋放，壓縮膠筒自動(dòng)恢復(fù)原狀，不會(huì)擠壓破損。

2) 通過(guò)對(duì)膠筒的受力分析，得到膠筒高度的應(yīng)力函數(shù)，以密封筒的相關(guān)尺寸、工作壓差及相關(guān)材料的強(qiáng)度為自變量，設(shè)計(jì)出膠筒的高度。依照第四強(qiáng)度理論，對(duì)設(shè)計(jì)的膠筒尺寸進(jìn)行了強(qiáng)度校核。并運(yùn)用有限元對(duì)壓縮活塞進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3) 對(duì)壓力膨脹式插入密封進(jìn)行了坐封和驗(yàn)封應(yīng)用，表明工具性能可靠，在密封筒輕微腐蝕、磨損而普通插入密封無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封時(shí)，在不更換密封筒的情況下，能夠起到密封分層效果。

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Design and Application of the Pressing Expansive Insert Sealing Tool

LIU Huawei，XU Guoxiong，LI Mengchao

(Energy Technology and Services Ltd.Drilling and Production Company，CNOOC，Tianjin 300452，China)

Aiming at the easy insertion sealing failure resulting from abrasion scratches，or corrosion of sealing barrel appeared in the borehole through offshore oilfields producing wells currently，a new type of insertion sealing tool is designed.The structural design and operating principle of insert sealing tool are introduced to determine the structural parameters by stress analysis for rubber tube，and do a finite element for the main parts.The pressing expansive insert seal is applied on the offshore oilfield，and do packer setting and sealing check.Theoretical analysis matches the experimental results，which prove that the new insertion sealing tool can meet the technical requirements of insertion sealing and is able to achieve effective sealing function in the defective sealing barrel.

sealing barrel；insertion sealing；pressure expansion；packer sealing；inspection sealing；deblocked sealing

1001-3482(2017)04-0056-05

2017-02-11

劉華偉(1985-)，男，工程師，主要從事油田穩(wěn)油控水工藝、井下工具設(shè)計(jì)及研究工作，E-mail：liuhw23@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.014