液壓壓脹式尾管頂部封隔器研制與試驗(yàn)

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(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)石化 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

液壓壓脹式尾管頂部封隔器研制與試驗(yàn)

邵志香1，2，馬蘭榮1，2，朱和明1，2，谷磊1，2，薛占峰1，2，廖洪千1，2

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)石化 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

機(jī)械式尾管頂部封隔器在小尺寸井、淺井和水平井中進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)，由于機(jī)械下壓力不足，容易出現(xiàn)封隔器坐封困難的問(wèn)題。研制了一種基于液壓坐封方式的封隔器，即液壓式尾管頂部封隔器。在封隔器坐封原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多級(jí)液缸串聯(lián)工作方式的坐封結(jié)構(gòu)，解決了機(jī)械式封隔器坐封力不足的問(wèn)題；同時(shí)設(shè)計(jì)了錨定結(jié)構(gòu)，增大了封隔器坐封的可靠性。地面性能試驗(yàn)表明，該封隔器可在25 MPa內(nèi)壓力條件下實(shí)現(xiàn)坐封、30 MPa內(nèi)壓力條件下完成坐掛功能，坐封后密封壓力達(dá)到70 MPa。該封隔器可實(shí)現(xiàn)對(duì)尾管重疊段環(huán)空的有效封隔。

封隔器；多級(jí)液缸；坐封；壓力

封隔器在井下工作的成效與性能的好壞主要取決于密封元件(膠筒)，而膠筒在井下的工作穩(wěn)定性又與其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及操作等諸多因素有關(guān)[1]。壓縮式膠筒是目前應(yīng)用最普遍的一種，它是通過(guò)施加軸向載荷使膠筒軸向壓縮、徑向膨脹，從而密封尾管與上層套管間的環(huán)形間隙。這種密封屬于接觸密封，其密封質(zhì)量的好壞關(guān)鍵在于上層套管與膠筒間接觸應(yīng)力的大小，即膠筒的承壓能力取決于膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力[2-6]。接觸應(yīng)力跟膠筒的坐封程度有直接關(guān)聯(lián)。

現(xiàn)有機(jī)械方式坐封的尾管頂部封隔器，通過(guò)下壓送入工具上的坐封擋塊，需要的坐封載荷大，且只能通過(guò)頂部鉆具提供坐封壓力，具有較大的局限性。對(duì)于淺井和小規(guī)格井來(lái)說(shuō)，頂部鉆具的質(zhì)量有限，難以提供封隔器所需的坐封載荷；對(duì)于大斜度井況及水平井況，鉆具重力無(wú)法全部加載到封隔器上，也同樣難以提供足夠的坐封壓力，膠筒無(wú)法完全坐封，進(jìn)而影響封隔器對(duì)環(huán)空的封隔效果。另外，分段壓裂作業(yè)也需要一款可液壓坐封、封隔壓力高、性能可靠的尾管頂部封隔器。文獻(xiàn)[7-9]基于有限元法對(duì)膠筒的封隔性能影響因素進(jìn)行了仿真分析研究。文獻(xiàn)[10]對(duì)液壓封隔器進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)地面試驗(yàn)，其環(huán)空封隔壓力為20 MPa，難以滿足分段壓裂的作業(yè)需求。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，采用理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，開(kāi)展了液壓式尾管頂部封隔器關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 封隔器結(jié)構(gòu)原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

在對(duì)封隔器的工作原理和坐封機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于多級(jí)液缸驅(qū)動(dòng)坐封的尾管頂部封隔器，主要由封隔器本體、液缸、活塞、鎖緊套，彈性卡瓦、卡瓦錐套、防退卡簧、隔離套、膠筒及剪釘?shù)冉M成。如圖1所示。為了防止反向氣串，影響封隔效果，該封隔器設(shè)計(jì)了錨定結(jié)構(gòu)。

圖1 封隔器總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

工具入井到設(shè)計(jì)位置后，采用可提出式球座進(jìn)行管內(nèi)憋壓作業(yè)。其工作原理為：

1) 封隔器入井。封隔器連接在尾管懸掛器上方，一起入井。

2) 封隔器坐封。懸掛器完成坐掛動(dòng)作后，利用可提出式球座，進(jìn)行管內(nèi)憋壓，壓力升至一定設(shè)計(jì)值時(shí)，多級(jí)液缸產(chǎn)生的液壓力將封隔器鎖緊套上的剪釘剪斷，并推動(dòng)活塞、卡瓦、錐體和隔離套一起下行，擠壓膠筒，直至膠筒貼緊上層套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)封隔器有效坐封，從而可以有效封堵尾管重疊段環(huán)空。

3) 封隔器坐掛。繼續(xù)憋壓至第二設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，彈性卡瓦與錐套連接的剪釘剪斷，卡瓦沿錐套的斜面繼續(xù)下行，直到卡瓦牙咬緊上層套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)封隔器錨定鎖緊在坐封位置，防止膠筒及封隔器發(fā)生軸向移動(dòng)。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1坐封驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

如何在較小的管內(nèi)壓力下，實(shí)現(xiàn)封隔器的有效坐封，是關(guān)鍵技術(shù)之一，需要考慮如何降低坐封壓力，提高坐封載荷。降低坐封壓力可以減少整個(gè)工具徑向承受的壓力、提高工具的安全可靠性和施工操作的安全性，既可滿足封隔器的坐封載荷需求，提高封隔的環(huán)空封隔能力，又可以降低工具和人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。在對(duì)國(guó)外尾管頂部封隔器相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多級(jí)液缸串聯(lián)的液壓驅(qū)動(dòng)坐封結(jié)構(gòu)。

1.3.2封隔元件

封隔元件是封隔器的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響封隔器的環(huán)空封隔效果。封隔元件一般采用橡膠類(lèi)密封件，目前封隔元件主要有三膠筒結(jié)構(gòu)，單膠筒結(jié)構(gòu)及金屬膨脹式膠筒結(jié)構(gòu)。

由于整體膠筒(單膠筒)可有效地降低封隔器入井過(guò)程中的抽汲作用，提高管串的下入速度和循環(huán)效率，幫助洗井過(guò)程中鉆屑的通過(guò)和提高水泥漿的頂替效率。因此，封隔結(jié)構(gòu)采用整體膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.3.3錨定鎖緊結(jié)構(gòu)

鎖緊裝置作為封隔器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在封隔器坐封后，具有防止密封元件松弛回彈及在長(zhǎng)期承受環(huán)空高壓情況下仍有較強(qiáng)的鎖緊承載能力，可確保環(huán)空封隔密封的可靠性[11]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 多級(jí)液缸結(jié)構(gòu)

為保證封隔器膠筒有效坐封，提供足夠的坐封力，設(shè)計(jì)了多級(jí)液缸串聯(lián)的液壓驅(qū)動(dòng)坐封結(jié)構(gòu)，主要由液缸、獨(dú)立活塞、固定活塞和支撐環(huán)等組成。多級(jí)液缸和活塞串聯(lián)于封隔器本體上。

兩級(jí)液缸連接原理如圖2所示。

圖2 兩級(jí)液缸連接示意

多級(jí)液缸坐封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1) 兩級(jí)或兩級(jí)以上液缸坐封結(jié)構(gòu)在同等管內(nèi)壓力條件下，可以提供更高的推力，可為封隔器坐封提供足夠的坐封力，解決機(jī)械坐封方式中坐封力不足的問(wèn)題。

2) 液缸之間通過(guò)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)活塞連接，結(jié)構(gòu)靈活，便于安裝。

3) 獨(dú)立密封環(huán)的設(shè)計(jì)，與常規(guī)液缸密封部分在液缸上的結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)省原材料，從而節(jié)約成本。

2.1.1基本參數(shù)

上層套管：外徑?177.0 mm(7英寸)，壁厚10.36 mm及以上；內(nèi)徑?157.1、?155.0、?152.5 mm。

材質(zhì)：P110鋼級(jí)，最小屈服極限σs=758 MPa。

2.1.2液缸及級(jí)數(shù)確定

液缸產(chǎn)生的推力大小取決于管內(nèi)壓力和有效承壓面積大小。液缸與封隔器本體組成的環(huán)形承壓面受力如圖3所示。

圖3 環(huán)形承壓面受力示意

液缸推力為

F=p×S

(1)

式中：F為液缸推力；p為管內(nèi)壓力；S為環(huán)形承壓面面積。

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一定的情況下，為保證封隔器101.6 mm通徑以及封隔器各部件的力學(xué)強(qiáng)度，封隔器液缸的設(shè)計(jì)間隙較小，尺寸排布存在一定難度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出最優(yōu)液缸內(nèi)外徑參數(shù)和最優(yōu)S值，確定了封隔器技術(shù)參數(shù)，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，如表1所示。

表1 封隔器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)膠筒的實(shí)際坐封載荷，按環(huán)形面積及剪釘剪斷壓力值，本封隔器采用兩級(jí)液缸即可。雙液缸雙活塞驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生雙倍的推力。當(dāng)環(huán)形面面積S一定時(shí)，可計(jì)算出在不同的壓力條件下，液缸坐封結(jié)構(gòu)提供的推力值。

確定液壓坐封結(jié)構(gòu)中液缸的級(jí)數(shù)和內(nèi)外徑參數(shù)后，需要計(jì)算液缸的行程。液缸的行程包含了膠筒的坐封行程和彈性卡瓦的坐掛行程。綜合考慮兩個(gè)行程及安全系數(shù)，液缸行程為140 mm。

2.2 剪釘壓力等級(jí)

采用兩級(jí)剪釘結(jié)構(gòu)，一級(jí)剪釘為封隔器的坐封剪釘，置于鎖緊套內(nèi)；二級(jí)剪釘為彈性卡瓦的坐掛剪釘，置于彈性卡瓦和錐套連接處。壓力等級(jí)的設(shè)計(jì)要考慮懸掛器的坐掛壓力，一般懸掛器的坐掛壓力約10 MPa，封隔器坐封壓力與懸掛器坐掛壓力之間必須有一個(gè)壓力差值。

考慮到安全因素，設(shè)計(jì)一級(jí)剪釘剪斷壓力約20 MPa。為保證封隔器膠筒充分脹封，二級(jí)剪釘與一級(jí)剪釘之間也應(yīng)設(shè)置合理的壓力差，二級(jí)剪釘?shù)募魯鄩毫υO(shè)為約30 MPa。

2.3 封隔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

封隔器的封隔結(jié)構(gòu)采用帶防突結(jié)構(gòu)的整體膠筒(單膠筒)，膠筒兩端的防突結(jié)構(gòu)可以保護(hù)膠筒貼在上層套管內(nèi)壁。防突結(jié)構(gòu)采用可擴(kuò)張組合防突環(huán)，膠筒坐封過(guò)程中防突環(huán)膨脹，其外徑與套管內(nèi)徑重合，將膠筒的膨脹變形范圍限定在一定區(qū)域內(nèi)，保證膠筒向上層套管環(huán)空方向漲封，不會(huì)出現(xiàn)軸向竄動(dòng)的情況，可有效地提高膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力，從而可獲得良好的封壓性能。為防止膠筒膨脹及封壓過(guò)程中失穩(wěn)，在膠筒中間設(shè)有支撐環(huán)，支撐環(huán)為鋼件，膠筒與封隔器本體接觸兩端設(shè)計(jì)有圓形凸起結(jié)構(gòu)，保證了膠筒脹封后不會(huì)因?yàn)槟z筒中間的空腔影響封壓性能。

2.4 錨定鎖緊機(jī)構(gòu)

常規(guī)封隔器坐封后，環(huán)空壓力較高時(shí)防退結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)回退，導(dǎo)致封隔器封隔壓力下降，甚至失效。本封隔器采用雙面螺紋卡簧和防退卡瓦雙重鎖緊結(jié)構(gòu)。其中，雙面螺紋卡簧用于膠筒單元的坐封鎖緊，防退卡瓦用于封隔器整體的防退鎖緊。

雙面螺紋卡簧的內(nèi)外表面分別設(shè)計(jì)有不同螺距、不同大小的倒齒螺紋。其中，內(nèi)表面螺紋與本體上的鋸齒螺紋鎖緊實(shí)現(xiàn)防退；外表面螺紋則是通過(guò)卡簧套施加到螺紋錐面的作用力產(chǎn)生對(duì)卡簧的徑向抱緊力，提高防退效果。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是坐封后回彈距離較小，且卡簧及本體受力均勻，防退承載能力更強(qiáng)[12]。

為提高封隔器的錨定鎖緊能力，防止封隔器坐封后封隔器整體產(chǎn)生軸向移動(dòng)，加入防退卡瓦錨定結(jié)構(gòu)。其中，防退卡瓦牙內(nèi)側(cè)及支撐其爬行的錐套均采用1∶5的錐度設(shè)計(jì)，以利于彈性卡瓦爬行，進(jìn)而貼緊上層套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)坐掛。彈性卡瓦的爬行行程為75 mm，如圖4所示。

圖4 彈性防退卡瓦

3 地面性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證該封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及坐封及封隔等性能。在試驗(yàn)裝置及?177.0 mm套管(內(nèi)徑?157.1 mm)內(nèi)進(jìn)行了封隔器地面性能試驗(yàn)。 組裝完成的封隔器樣機(jī)如圖5所示。在室溫下，封隔器膠筒的硬度為80～85 HS。

圖5 雙級(jí)液缸驅(qū)動(dòng)尾管頂部封隔器樣機(jī)

3.1 膠筒封壓性能

通過(guò)對(duì)封隔器本體加壓，封隔器在25 MPa以內(nèi)坐封，30 MPa以內(nèi)坐掛。完成封隔器坐封后，對(duì)封隔器與上層套管之間的環(huán)空進(jìn)行正向加壓，測(cè)試封隔器膠筒的封隔能力。

為驗(yàn)證防退卡瓦的有效性，分別進(jìn)行了2次坐封性能和封隔能力試驗(yàn)。第1次坐封試驗(yàn)時(shí)，控制管內(nèi)壓力低于第二級(jí)剪釘?shù)募羟袎毫?，保證僅坐封膠筒，未坐掛防退卡瓦。第2次坐封試驗(yàn)時(shí)，完成封隔器膠筒坐封，彈性防退卡瓦完全坐掛。

1) 第1次環(huán)空驗(yàn)封試驗(yàn)(防退卡瓦未坐掛)：初步加壓30 MPa，穩(wěn)壓15 min無(wú)壓降，無(wú)滲漏；之后繼續(xù)加壓至45 MPa，壓力不再繼續(xù)上升。

2) 第2次環(huán)空驗(yàn)封試驗(yàn)(防退卡瓦完全坐掛)：初步加壓30 MPa，穩(wěn)壓15 min，無(wú)壓降，無(wú)滲漏；之后以10 MPa的壓力遞增，封隔器的最高封壓能力達(dá)到70 MPa。

封隔壓力曲線如圖6所示。

圖6 封隔壓力-時(shí)間曲線

通過(guò)對(duì)比2次試驗(yàn)可知，第1次防退卡瓦未坐掛時(shí)，膠筒承受的最高壓力為45 MPa；第2次彈性防退卡瓦坐掛，膠筒承受的最高壓力為70 MPa，明顯高于第1次。因此，防退卡瓦發(fā)揮了防退作用，錨定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以提高膠筒的封隔能力。

3.2 行程測(cè)量

將封隔器從套管中推出，測(cè)量液缸行程，驗(yàn)證封隔器結(jié)構(gòu)的合理性和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)動(dòng)作是否正常。液缸和鎖緊套之間是通過(guò)螺紋連接的，鎖緊套的行程即為液缸的行程。測(cè)量鎖緊套端面到內(nèi)封頭端面的距離，約203 mm，試驗(yàn)前該距離為69 mm。如圖7所示。

液缸行程為203-69=134 mm。液缸最大行程設(shè)計(jì)值為140 mm，實(shí)際行程在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，說(shuō)明液缸行程設(shè)計(jì)合理。

經(jīng)測(cè)量，彈性防退卡瓦的爬行距離為74.5 mm。最大坐掛行程設(shè)計(jì)值為75 mm，試驗(yàn)前測(cè)量時(shí)，坐掛行程為74.5 mm。因此，實(shí)際卡瓦爬行距離與坐掛行程一致，彈性卡瓦實(shí)現(xiàn)完全坐掛，坐掛行程設(shè)計(jì)合理。

圖7 液缸行程測(cè)量示意

3.3 膠筒脹封

封隔器膠筒脹封如圖8所示。

圖8 封隔器膠筒脹封示意

由圖8可知，整體膠筒在多級(jí)液缸液壓力的作用下，由兩側(cè)向中間凸起，發(fā)生平穩(wěn)均勻的變形，利于封隔套管環(huán)空。膠筒端部的防突環(huán)在液壓力的作用下，隨膠筒的擴(kuò)張而張開(kāi)，防突環(huán)未發(fā)生位移及破壞，對(duì)膠筒進(jìn)行限位及保護(hù)。膠筒拆出后，發(fā)現(xiàn)膠筒完好，未見(jiàn)損傷。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)多級(jí)液缸驅(qū)動(dòng)坐封尾管頂部封隔器的理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了多級(jí)液缸液壓坐封封隔器結(jié)構(gòu)合理，實(shí)現(xiàn)了集多級(jí)液缸組合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、防退卡瓦和帶端部防突保護(hù)結(jié)構(gòu)的整體膠筒于一體的封隔器技術(shù)，克服了機(jī)械坐封方式中坐封力不足的問(wèn)題。

2) 多級(jí)液缸組合的液壓坐封驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，為封隔器的坐封提供了足夠的坐封載荷，封隔器可在25 MPa壓力以內(nèi)坐封，30 MPa壓力以內(nèi)坐掛。

3) 帶有防退卡瓦和內(nèi)鎖緊卡簧的雙重鎖緊結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高封隔器的安全可靠性，封隔器的環(huán)空封隔能力達(dá)到了70 MPa。耐壓能力的增強(qiáng)可擴(kuò)大封隔器的使用范圍。不論是淺井或小規(guī)格井的較低耐壓需求，還是深井、大斜度井及水平井的耐高壓需求都可以得到滿足。

4) 由于該封隔器靠液壓力壓脹坐封，其坐封不受限于尾管的質(zhì)量和尾管的位置狀態(tài)，即使尾管傾斜也不影響封隔器的坐封。從而該封隔器可適用于淺井、小尺寸井及大斜度井等復(fù)雜井況的不固井作業(yè)，也可為水平井分段壓裂作業(yè)提供有效的環(huán)空高壓封隔。

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DesignandExperimentalStudyonLinerTopPackerDrivenbyHydraulicCylinder

SHAO Zhixiang1，2，MA Lanrong1，2，ZHU Heming1，2，GU Lei1，2，XUE Zhanfeng1，2，LIAO Hongqian1，2

(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment，Beijing100101，China；2.ResearchInstituteofPetroleumEngineering，Sinopec，Beijing100101，China)

The mechanical packer usually can’t be completely set when using in fracturing operation in the small size well or shallow well and horizontal well due to the insufficient mechanical pressure.Therefore，this paper developed the liner top packer that driven by hydraulic pressure.According to research the mechanism of packer，the multi-stage cylinder setting mechanism has been designed to improving setting force，which can solve the insufficient mechanical pressure question of mechanical packer.Furthermore，in order to enhance the reliability of sealing packer，the anchoring mechanism was developed.The experiment data suggest that the packer can set completely under lower tube pressure，which less than 25 MPa，and anchor within 30 MPa pressure.After setting，the sealing pressure can up to 70 MPa.Thus，the annular space of the overlapping section of liner can be effectively sealed by the liner top packer.

packer；multi-stage cylinder；setting；pressure

1001-3482(2017)06-0063-05

2017-05-11

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“高壓油氣水平井固井關(guān)鍵工具的研制與應(yīng)用” 資助(2016ZX05021005-003)

邵志香，(1981-)，女，山東濱州人，工程師，博士研究生，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)與井下工具研發(fā)方面的研究工作，E-mail：shaozx2011@163.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.013