新型高壓生產(chǎn)滑套試驗研究與應用

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(1.中海油田服務股份有限公司,天津 300456； 2.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518067；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300456)

滑套是采油管柱中重要的井下工具，它可以將油套環(huán)空可控地連通起來，主要用于分層開采，完井后誘噴、循環(huán)壓井、下堵塞器關井試壓等作業(yè)[1-2]。生產(chǎn)過程中，滑套的開和關是通過鋼絲作業(yè)完成，其成功與否，取決于滑套彈性爪開關力的大小及組合密封性能的優(yōu)劣，若開關力大于鋼絲額定載荷，有拉斷鋼絲造成井下落物的隱患。同時，由于滑套長期開關作業(yè)，也會引發(fā)滑套在井底泄露的問題[3]。據(jù)統(tǒng)計，在過去的2 a內(nèi)，渤海油田有6口井出現(xiàn)因滑套無法打開和井底發(fā)生泄露而實施大修的情況。因此，對新型高壓生產(chǎn)滑套的研究具有重要意義。文獻[4]對海上完井滑套開關工具的彈性爪進行了有限元分析，試驗驗證了分析結(jié)果的合理性。文獻[5]分析了不同類型密封結(jié)構(gòu)對深水生產(chǎn)滑套密封性能的影響，設計了試驗裝置，驗證了不同密封件的密封性能。然而，針對滑套的開關力及密封問題的研究，國內(nèi)外所涉及的內(nèi)容尚少。本文結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)情況、綜合考慮開關力和密封性能，研制了一種新型高壓滑套，通過結(jié)構(gòu)力學分析與室內(nèi)試驗的方法對其進行研究，結(jié)果表明：新型高壓生產(chǎn)滑套既可滿足油田使用要求，又能避免現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。

1 施工工藝及風險分析

滑套的開啟與關閉主要靠鋼絲攜帶開關工具實現(xiàn)，作業(yè)施工如圖1所示，其施工步驟：

1) 將鋼絲作業(yè)設備與井口連接。

2) 鋼絲連接開關工具串：鋼絲—振擊器—加重桿—開關工具等下入到預定位置。

3) 向上振擊打開滑套，直到開關工具從內(nèi)滑套內(nèi)脫手。

4) 回收鋼絲作業(yè)工具串，檢測開關工具是否應急脫手。

5) 若應急脫手，調(diào)整開關工具繼續(xù)實施1～4施工步驟，直到開關工具不觸發(fā)應急脫手機構(gòu)而順利回收。

1—滑輪組；2—鋼絲；3—井口及防噴器；4—油管；5—上滑套；6—加重桿；7—振擊器 ；8—開關工具；9—下滑套；10—生產(chǎn)套管。

施工中出現(xiàn)的問題：

1) 鋼絲作業(yè)施工過程中，向上振擊開啟或向下振擊關閉滑套時，出現(xiàn)經(jīng)多次振擊內(nèi)滑套而無法打開或關閉滑套的情況，致使開關工具應急脫手。施工過程中由于開關力較大，有振斷鋼絲造成井下事故的隱患。

2) 滑套內(nèi)部密封經(jīng)多次往復磨損而無法承壓，導致泄露的隱患。

2 滑套結(jié)構(gòu)及工作原理

針對滑套無法正常開關，及滑套密封在井下經(jīng)多次往復磨損而失去密封性能的問題，研制了一種新型高壓生產(chǎn)滑套，開關工具與滑套配合結(jié)構(gòu)及實物圖如圖2～3所示。開關工具通過彈性移位爪卡緊內(nèi)滑套下部臺肩，通過振擊器向下振擊以實現(xiàn)帶有過流孔的內(nèi)外滑套相互錯動，完成滑套的關閉、流體平衡、開啟3個功能。這3個功能分別對應3個不同鎖緊槽，在經(jīng)過每個鎖緊槽時，內(nèi)滑套彈性爪進入鎖緊槽內(nèi)，以實現(xiàn)鎖緊內(nèi)滑套防止竄動的作用。圖2為滑套處于開啟位置，內(nèi)滑套與外滑套過流孔相通，建立流體通道，實現(xiàn)作業(yè)需求，內(nèi)滑套彈性爪處于下接頭鎖緊槽3內(nèi)。鋼絲作業(yè)中，上提鋼絲，促使開關工具移動內(nèi)滑套，其軸向力須克服內(nèi)滑套彈性爪進、出鎖緊槽時的軸向摩擦力及V型組合密封由過盈量產(chǎn)生的軸向摩擦力之和。當內(nèi)滑套彈性爪及V型組合密封結(jié)構(gòu)設計不合理時，會造成鋼絲載荷較大，工具應急脫手、振斷鋼絲及密封失效等諸多問題。

3 滑套開關受力分析

內(nèi)滑套發(fā)生軸向位移才能使滑套開啟與關閉。在滑套的開關過程中，滑套某一開啟過程及局部受力如圖4所示，鋼絲所克服的最大軸向拉力即為最大開關力。

1—上接頭；2—組合密封；3—外滑套；4—內(nèi)滑套；5—下接頭鎖緊槽1；6—下接頭；7—下接頭鎖緊槽2；8—振擊器連接頭；9—開關工具定位爪；10—下接頭鎖緊槽3；11—彈性移位爪；12—滑套擋塊；13—開關工具下接頭。

圖3 開關工具與滑套配合實物

1—上接頭；2—內(nèi)滑套；3—外滑套；4—下接頭。

Nmax=F1+F2+F3

(1)

式中：Nmax為最大開關力；F1為內(nèi)滑套與上下接頭及外滑套之間的軸向摩擦力；F2為兩組V型組合密封產(chǎn)生的軸向摩擦力；F3為內(nèi)滑套彈性爪進、出槽所產(chǎn)生的軸向摩擦力。

內(nèi)滑套在鎖緊槽內(nèi)時：F3=0，此時,最小開關力為

Nmin=F1+F2

(2)

式中：Nmin為最小開關力。

內(nèi)滑套不在槽內(nèi)時，F(xiàn)3≠0，式(1)成立。

4 彈性爪有限元分析

4.1 建立有限元力學模型

由于彈性爪為軸對稱結(jié)構(gòu)，約束和載荷具有軸對稱性，故取結(jié)構(gòu)的1/4分析，單元采用具有塑性、大變形及大應變能力的Solid185單元進行分析[6]。材料選為42CrMo鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，達到P110鋼級，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3，摩擦因數(shù)0.1，屈服強度855 MPa，拉伸強度920 MPa[7]。建立的彈性爪與下接頭之間的三維有限元力學模型如圖5所示。

4.2 結(jié)果分析

通過對彈性爪過槽收縮時的有限元分析，提取彈性爪Mises應力與軸向位移之間的變形云圖及最大應力與位移之間的關系如圖6所示。在彈性爪徑向收縮的過程中，隨著軸向位移的加大，彈性爪根部應力隨之越大，直到彈性爪最大外徑與下接頭內(nèi)徑貼合，即彈性爪完全收縮時，根部應力達到827.4 MPa，其后應力趨于穩(wěn)定。與材料屈服強度相比，滑套開關過程中，彈性爪仍處于彈性范圍內(nèi)，材料尚未發(fā)生破壞。

圖5 彈性爪有限元模型

圖6 彈性爪過槽時最大Mises應力與軸向位移之間的關系

彈性爪過槽時摩擦力與軸向位移的關系如圖7所示，彈性爪在爬上斜面時，隨著軸向位移的增大，彈性爪徑向收縮，摩擦力逐漸增大，直到彈性爪收縮完成，摩擦力出現(xiàn)峰值1.05 kN，其后穩(wěn)定在1.02 kN左右，可認為滑套在開關的過程中，由彈性爪引起的平均摩擦力F3=1.02 kN。

圖7 彈性爪過槽時摩擦力與軸向位移的關系

5 室內(nèi)試驗

5.1 滑套開關性能試驗

將滑套置于拉拔機上，拉拔機液缸與開關工具下接頭相連，固定外滑套，進行開啟試驗，之后調(diào)換開關工具方向使其與內(nèi)滑套上臺階配合，實施關閉試驗，往復拉拔22次，共11次開關過程。第1次滑套開關過程中軸向力與位移的關系如圖8所示。

對圖8分析可知：滑套開關時，其內(nèi)滑套彈性爪相繼經(jīng)過3個鎖緊槽，在這過程中，由于彈性爪的徑向收縮與復原，引起了拉拔力規(guī)律性的變化：彈性爪在鎖緊槽內(nèi)部時，不產(chǎn)生軸向摩擦力，即F3=0，滑套的最小開關力Nmin平均為0.74 kN；彈性爪不在3個鎖緊槽內(nèi)部時，拉拔力為滑套的最大開關力Nmax(平均為1.88 kN)。最大開關力與最小開關力之差即為滑套彈性爪徑向收縮產(chǎn)生的軸向平均摩擦力F3=1.14 kN。與上述有限元分析的結(jié)果1.02 kN相比，誤差在10.5%以內(nèi)。為了得到多次開關后的開關力情況，統(tǒng)計滑套開關力數(shù)據(jù)如表1所示。

對表1分析可知：滑套經(jīng)過11次的開關試驗，最大開關力Nmax呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，彈性爪引起的軸向摩擦力F3在第9次后保持不變，內(nèi)滑套與各部件間的摩擦力和組合密封引起的摩擦力之和Nmin逐漸減小。其原因在于組合密封在經(jīng)過多次往復摩擦后表面有少量的磨損，從而引起Nmin逐漸減小，使最大開關力Nmax由原來的1.88 kN減小到1.84 kN，之后趨于穩(wěn)定，說明滑套具有多次往復開關的性能。

a 關閉過程

b 開啟過程

表1 滑套開關力統(tǒng)計 kN

5.2 滑套承壓性能試驗

為了得到開關過程中滑套的密封性能，分別在第1次、第9次、第11次拉拔試驗后，按照圖9結(jié)構(gòu)將其連接，按照4階梯壓力進行試壓[8]，試壓結(jié)果如表2所示。

1—傳壓孔3；2—密封圈 ；3—上接頭；4—外筒；5—組合密封；6—外滑套；7—組合密封；8—內(nèi)滑套；9—下接頭；10—傳壓孔2；11—下堵頭；12—密封圈；13—傳壓孔1；14—上堵頭。

表2 密封性能試驗數(shù)據(jù) MPa

對表2進行分析可知：無論是單獨測試外壓還是測試內(nèi)壓，經(jīng)過4個階梯承壓試驗后，滑套都有較好的密封性能，內(nèi)部能承受高達到45 MPa的壓力，外部能承受高達50 MPa的壓力，能夠滿足渤海各大油田的需求。

6 現(xiàn)場應用

在渤海區(qū)塊綏中油田的1口井下入3個滑套，井況如表3所示。

表3 井況數(shù)據(jù)

采用SS316材質(zhì)、直徑為2.74 mm(0.108 in)，最小拉斷力為8.7 kN的鋼絲，攜帶開關工具進行作業(yè)，結(jié)果顯示：

1) 1號滑套開關力1.95 kN，2號滑套開關力2.01 kN，3號滑套開關力2.1 kN。開關力比地面試驗高出0.22～0.26 kN，符合鋼絲作業(yè)開關力小于最小拉斷強度40%的規(guī)范。

2) 3個滑套均能滿足41 MPa的內(nèi)部施工壓力和34 MPa外部地層壓力，且作業(yè)過程中開關工具無應急脫手現(xiàn)象，現(xiàn)場應用效果較好。

7 結(jié)論

1) 新型高壓滑套采用彈性爪與組合密封相結(jié)合的設計，既能滿足開關力的要求，又能保證多次開關后的長久密封性能，克服了常規(guī)滑套不易打開、密封不嚴的難題。

2) 模擬及試驗結(jié)果表明：滑套的開關力主要來源于組合密封和彈性爪產(chǎn)生的摩擦力，其中彈性爪的摩擦力占主要因素，為進一步的優(yōu)化滑套結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

3) 新型高壓滑套具備既能密封高壓，又能順利實現(xiàn)開關的特點，提高了作業(yè)效率，減少了作業(yè)隱患。該項技術(shù)具有推廣應用價值及廣闊的市場前景。