滿足連續(xù)管帶壓提下要求的懸掛密封器彈性密封體優(yōu)化設計

傅登偉，邱福壽，胡承軍，童鏡樹，孟 胡，彭 輝，蒙永立

新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000

滿足連續(xù)管帶壓提下要求的懸掛密封器彈性密封體優(yōu)化設計

傅登偉，邱福壽，胡承軍，童鏡樹，孟 胡，彭 輝，蒙永立

新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000

針對在對油井井底進行溫度、壓力監(jiān)測過程中，井口密封裝置無法滿足連續(xù)管帶壓提下要求的問題，開展了連續(xù)管帶壓提下作業(yè)方案的研究。設計了連續(xù)管帶壓提下懸掛密封器，并采用二次序列規(guī)劃法及田口優(yōu)化法，對懸掛密封器的關鍵零部件彈性體進行結構尺寸優(yōu)化。通過對比分析兩種優(yōu)化方法得到的結果，確定了彈性體最佳結構尺寸。室內(nèi)試驗表明，采用兩種優(yōu)化方法計算得到的彈性體結構尺寸與性能，皆與試驗結果一致，驗證了彈性體結構尺寸最優(yōu)解的可靠性。

連續(xù)管；帶壓提下；井口密封裝置；彈性密封體；尺寸優(yōu)化；室內(nèi)試驗

新疆油田近年來采用SAGD工藝大規(guī)模進行稠油和超稠油開發(fā)，為掌握油層吸汽程度及均勻性，需在單井水平段下入連續(xù)管（內(nèi)置測試儀器）進行井底測溫、測壓[1]。采用SAGD工藝開采單井時，在吞吐預熱周期以及轉抽作業(yè)時，需要帶壓上提及下入上述下入的測試連續(xù)管，目前該工藝存在如下問題：其一，井口密封裝置不能滿足測試連續(xù)管帶壓提下的要求，只能在壓井或下次檢泵作業(yè)時，方可更換測試連續(xù)管；其二，一井一纜測試方式的成本投入較高。

考慮到上述問題，以及根據(jù)目前帶壓修井的發(fā)展方向、配套設備和工藝需滿足帶壓作業(yè)的要求，開展了滿足連續(xù)管（準18 mm）帶壓提下要求的懸掛密封器的設計研究。在研究工作中，對其關鍵零部件彈性體結構尺寸進行了優(yōu)化，并通過室內(nèi)試驗，驗證了結果的準確性。

1 密封器結構設計及密封操作方案

根據(jù)要求滿足連續(xù)管帶壓提下的要求，井口懸掛密封裝置應滿足連續(xù)管下入及上提過程中的動密封及連續(xù)管測試過程中的靜態(tài)密封要求[2]。為此，設計了如下結構的懸掛密封器及密封操作方案，見圖1、2。

該懸掛密封器主要由由壬、X型彈性密封體、注脂閥等構成。其在連續(xù)管帶壓提下操作時的密封操作方案是：在連續(xù)管下入過程中，因連續(xù)管與彈性密封體之間存在動態(tài)摩擦，彈性密封體可能因長期作業(yè)而發(fā)生損壞，從而導致井內(nèi)液體的泄漏，對于這種情況，通過旋緊由壬壓緊彈性密封體，從而達到增加密封可靠性的目的；若旋緊由壬后，井內(nèi)液體依然泄漏，此時可先通過注脂閥向靜態(tài)密封腔內(nèi)注入密封脂，實現(xiàn)靜態(tài)密封，而后打開上部由壬、鎖環(huán)，更換X型彈性密封體，然后再上緊由壬，如此可繼續(xù)進行帶壓提下作業(yè)；在下入完成后，可通過注脂閥向注脂腔注脂，達到靜態(tài)密封的效果。

圖1 帶壓提下連續(xù)管的總體方案

圖2 井口懸掛密封裝置結構示意

2 彈性密封體結構尺寸優(yōu)化

從上述密封體結構設計及密封操作方案中可以看出，井口懸掛密封裝置中彈性密封體的結構直接影響連續(xù)管的動態(tài)及靜態(tài)密封，因此結合現(xiàn)場工況，分析了彈性密封體的受力，確定了優(yōu)化目標，并通過采用二次規(guī)劃法及田口優(yōu)化方法對結構尺寸進行優(yōu)化。

2.1 受力分析及優(yōu)化目標、變量確定

提下測試連續(xù)管作業(yè)的工作壓應力≤5 MPa，井口溫度≤120℃，彈性密封體受力情況見圖3。

圖3 彈性密封體受力示意

連續(xù)管在動態(tài)或靜態(tài)工作時要保證其密封可靠，其優(yōu)化目標表達式為：

式中：a為常數(shù)，表示預應力與工作壓應力差值，MPa，其值越大越好。

根據(jù)優(yōu)化目標，結合井口相關尺寸，確定彈性密封體結構尺寸優(yōu)化的變量及賦值：外徑取56～60 mm、開口角度取18°～22°、圓弧半徑取18～20 mm。

2.2 二次序列規(guī)劃法優(yōu)化

采用序列二次規(guī)劃法對彈性密封體進行結構優(yōu)化，優(yōu)化收斂公差為1%，最大優(yōu)化迭代次數(shù)設為20，通過多通道迭代獲得精確最優(yōu)解。

通過兩次迭代試驗，可確定外徑58 mm、開口角度60°、圓弧半徑20 mm為最優(yōu)解，最優(yōu)解對應的應力為19.5 MPa。建模及分析結果見圖4～7。

圖4 彈性密封體三維模型

圖5 彈性密封體受力分析

圖6 第一次迭代試驗

圖7 第二次迭代試驗

2.3 田口優(yōu)化方法

采用田口優(yōu)化方法對彈性密封體進行結構優(yōu)化，通過正交實驗、交互作用及影響權重分析，確定最優(yōu)尺寸解。

（1）正交實驗。對2.1節(jié)確定的變量進行取值，各變量取值見表1；利用Minitab設計田口優(yōu)化試驗正交表，并通過ANSYS軟件模擬得出相應值（響應值），見表2。

（2）權重分析。通過對田口試驗進行權重分析，觀察斜率，確定影響權重，見圖8。分析得出：第一，外徑對響應值的影響最大，開口角度次之，圓弧半徑對響應值的影響最?。坏诙?，對照響應組合表2，發(fā)現(xiàn)各因子單獨作用時，響應最大值的組合對應力響應并非最大，說明各個因子間存在交互作用。

表1 田口試驗變量取值

表2 田口試驗組合及響應值

圖8 因子影響權重分析

（3）交互作用分析。分析結果見圖9。從圖9可得出：第一，當圓弧半徑在20～22 mm間變化，外徑在58～60 mm間變化時，兩段曲線平行，不存在交互作用。第二，當開口角度在60°～62°間變化，外徑在56～58 mm變化時，兩段曲線平行，不存在交互作用。

圖9 各因子間交互作用

（4）最優(yōu)解的確定。最優(yōu)解的取值以不存在交互作用或交互作用最小為原則，結合權重分析，最終確定外徑58 mm、開口角度60°、圓弧半徑20 mm為最優(yōu)解。通過ANSYS軟件模擬，計算最優(yōu)解對應的最大應力為20 MPa，見圖10。

圖10 彈性密封體受力分析

通過對二次序列規(guī)劃法及田口優(yōu)化方法的對比，得出如下結論：第一，求得的最優(yōu)解一致；第二，最大應力值誤差為0.25%。對比結果驗證了最優(yōu)解的準確性。

3 室內(nèi)模擬試驗

在室內(nèi)對產(chǎn)品進行了密封性能試驗[3]，數(shù)據(jù)見表3，數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)品性能達到了設計要求。

表3 密封性能試驗數(shù)據(jù)

4 結束語

本文采用二次序列規(guī)劃法及田口優(yōu)化法，對懸掛密封器的關鍵零部件彈性體進行結構尺寸優(yōu)化。通過對比分析兩種優(yōu)化方法得到的結果，確定了彈性體最佳結構尺寸。室內(nèi)試驗表明，采用兩種優(yōu)化方法計算得到的彈性體結構尺寸與性能，皆與試驗結果一致，驗證了彈性體結構尺寸最優(yōu)解的可靠性。

[1]郭立曉，伍開松，袁新生，等.抽油桿盤根密封機理研究[J].石油礦場機械，2008，37（3）：29-32.

[2]王排營，單海榮，劉志強，等.SFHTGW6-14型手動抽油桿防噴器[J].石油機械，2009，37（11）：55-56.

[3]ISO 10423，井口裝置和采油樹[S].

Study on optimum design of elastic seal body of suspension sealer for lifting and lowering continuous tube under pressure

FU Dengwei，QIU Fushou，HU Chengjun，TONG Jingshu，MENG Hu，PENG Hui，MENG Yongli
Engineering Technology Research Institute，CNPC Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China

The wellhead seal of a suspension sealer can not meet requirements of lifting and lowering of a continuous tube at oil well bottom under pressure during the temperature and pressure monitoring，so the technical scheme research on lifting and lowering operation of the continuous tube under pressure is conducted.The suspension sealer is designed，and the structural dimension optimization of the elastic seal body as the key component of the suspension sealer is carried out by using the quadratic sequence planning method and the Taguchioptimization method.The optimal structural dimension of the elastic seal body is determined by comparing the results of the two optimization methods.The indoor test shows that the structural dimension and function of the elastic seal body determined by the two optimization methods are well agreeable with the test results，verifying the reliability of the optimization solution.

continuous tube；lifting and lowering under pressure；wellhead sealing device； elastic seal body；dimension optimization；indoor test

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.014

傅登偉（1990-），男，四川彭州人，2015年畢業(yè)于中國石油大學（華東）機械工程專業(yè)，現(xiàn)在從事井口及配套裝置應用研究工作。Email：fdw1990227@163.com

2017-07-15