液封氣減壓裝置的研制

鄧茂攸

（中國(guó)石油吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

1 工作原理與技術(shù)參數(shù)

液封氣減壓裝置是針對(duì)氣井帶壓作業(yè)裝備配套研究的關(guān)鍵部件之一。主要作用是降低球形防噴器的耐壓級(jí)別，利用液體密封氣體，延長(zhǎng)防噴器壽命，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。主要由減壓密封裝置和液封氣裝置兩大部分組成。

1.1 減壓密封裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

減壓密封裝置主要由上環(huán)形防噴器、液封氣短節(jié)和下環(huán)形防噴器組成。使用兩只球形防噴器分級(jí)進(jìn)行密封減壓，密封油套環(huán)形空間壓力。下部球形防噴器作為主減壓級(jí)，與上部球形防噴器之間封閉一段液柱，液柱壓力降低下部球形膠芯上下壓差，協(xié)助密封井內(nèi)氣壓并潤(rùn)滑球形防噴器膠芯，減少膠芯磨損，同時(shí)球形膠芯不易積聚靜電，可溶解氣體介質(zhì)中的H2S和CO2成分，生成無害弱酸。

1.2 液封氣裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

液封氣裝置主要由液封氣短節(jié)、蓄能器、等壓力傳動(dòng)缸、液路壓力控制閥件、水泵等組成。由壓力傳動(dòng)缸和蓄能器液封氣短節(jié)內(nèi)液體壓力，液柱腔壓力設(shè)定為3～4MPa，隔一段時(shí)間可以換液一次。由于接箍或井下工具通過短節(jié)時(shí)，液體腔容積會(huì)有明顯變化，易引起水壓劇烈波動(dòng)；因此，液封氣系統(tǒng)配有一套壓力波動(dòng)吸收子系統(tǒng)，由蓄能器平緩水腔壓力波動(dòng)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該裝置的主要技術(shù)參數(shù)包括：（1）球形環(huán)形防噴器通徑186mm；（2）球形環(huán)形防噴器額定工作壓力35MPa；（3）蓄能器最高壓力10.5MPa；（4）液封氣短節(jié)通徑186mm；（5）液封氣短節(jié)額定承壓能力35MPa；（6）液封氣短節(jié)設(shè)定壓力3～4MPa。

2 液封氣減壓裝置動(dòng)力學(xué)性能研究

液封氣減壓裝置在氣井帶壓起下管柱作業(yè)過程中起到了至關(guān)重要的作用，起下管柱時(shí)既要保護(hù)井下壓力防止天然氣泄漏，又要使起下油管能順利進(jìn)行，并且能夠使接箍強(qiáng)行通過該系統(tǒng)。因此，需要研究分析接箍通過環(huán)形防噴器時(shí)球形膠芯的形變及應(yīng)力。

2.1 起管柱過程中的位移分析

在油管開始被上提時(shí)，膠芯中橡膠與油管接觸位置產(chǎn)生向上的軸向位移，這是由于起管過程中油管對(duì)膠芯產(chǎn)生向上的摩擦力，使膠芯內(nèi)部的頂端產(chǎn)生向上的位移。油管繼續(xù)上提，接箍會(huì)發(fā)生以下四種狀態(tài)：接箍與膠芯剛發(fā)生接觸、完全接觸、即將脫離以及完全脫離。對(duì)液封氣減壓裝置摩擦系數(shù)為0.1的條件進(jìn)行計(jì)算分析，得到接箍在不同位置的位移云圖，如圖1所示。

圖1 起管柱作業(yè)過程中的位移云圖

0.031s時(shí)，接箍剛與膠芯發(fā)生接觸。接箍開始擠壓橡膠，相對(duì)油管來說，較粗的接箍所占空間變大，并且接箍與橡膠間存在摩擦力，由于膠芯底部受活塞的約束，故橡膠只能被擠向上部空間，致使橡膠頂部位移增至123mm。由于摩擦力作用接箍會(huì)向上拉扯橡膠，使膠芯對(duì)外界向上的力較大，這會(huì)導(dǎo)致膠芯上環(huán)面外圈與鐵芯接觸處產(chǎn)生較大應(yīng)力，為10.05MPa。

0.047s時(shí)，接箍完全與膠芯發(fā)生接觸，接箍完全進(jìn)入膠芯內(nèi)部，在接箍所在區(qū)域以及其下端的橡膠被完全擠開，與膠芯間形成一個(gè)環(huán)形空間，這說明更多的橡膠被接箍擠壓至其上部，使得油管和接箍均處于密封狀態(tài)。膠芯頂部位移較大，為135mm。橡膠同時(shí)產(chǎn)生向上和徑向的擠壓力，受下端環(huán)形密閉空間限制，橡膠在約束的作用下只能向上堆積、擠壓，使橡膠與接箍上端接觸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，其大小為16.95MP。

0.062s時(shí)，油管即將脫離膠芯，由于橡膠為彈性體回復(fù)性較強(qiáng)，雖然接箍將膠芯上端擠開，但在接箍下端的環(huán)形空間又被橡膠填充，油管仍然處于密封狀態(tài)，同時(shí)橡膠的位移變小為117.9mm。接箍對(duì)橡膠徑向和軸向的外力降低，橡膠向原狀態(tài)恢復(fù)，橡膠此時(shí)應(yīng)力較前一狀態(tài)會(huì)發(fā)生下降，最大應(yīng)力位置向內(nèi)部發(fā)展，應(yīng)力為12.09MPa。

0.067s時(shí)接箍完全脫離膠芯，此時(shí)膠芯已經(jīng)將油管密封，膠芯幾乎恢復(fù)至初始封井狀態(tài)，橡膠位移為117.3mm。由于膠芯向原狀態(tài)恢復(fù)，故應(yīng)力進(jìn)一步減小至10.41MPa，之后會(huì)漸漸恢復(fù)初始狀態(tài)。

各階段應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2所示。在油管上提初始階段，接箍并未接觸膠芯時(shí)，膠芯中橡膠的應(yīng)力變化范圍為7.66～10.11MPa。0.024s時(shí)，接箍開始接觸膠芯，致使在這之后膠芯應(yīng)力波動(dòng)性升高，0.034s時(shí)，橡膠應(yīng)力達(dá)到極值21.1MPa，低于屈服強(qiáng)度。之后應(yīng)力又呈波動(dòng)性下降，應(yīng)力隨著膠芯恢復(fù)至初始封井狀態(tài)而趨于穩(wěn)定，膠芯中橡膠的應(yīng)力變化范圍為7.58～10.85MPa。該關(guān)系曲線圖中應(yīng)力均低于其屈服強(qiáng)度23.8MPa，膠芯不會(huì)因應(yīng)力過大而損壞。

圖2 液封氣減壓裝置橡膠應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線

在起管過程中，系統(tǒng)膠芯橡膠的接觸應(yīng)力值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)比較穩(wěn)定，說明其對(duì)井下氣體的密封更加穩(wěn)定，并且最大接觸應(yīng)力更低，對(duì)膠芯的損傷降低，增大了膠芯的使用壽命，封井效果穩(wěn)定。

2.2 下管柱過程中的位移分析

下管柱過程中油管由上至下運(yùn)動(dòng)，接箍的初始位置在膠芯上端，接箍從上端強(qiáng)行通過膠芯。在液封氣減壓裝置摩擦系數(shù)為0.1的條件下進(jìn)行計(jì)算分析，得到接箍在不同位置的位移云圖，如圖3所示。

圖3 下管柱作業(yè)過程中位移云圖

0.024s時(shí)，接箍與膠芯的頂部橡膠最先發(fā)生接觸，將頂部橡膠向下擠壓，由于膠芯下端受活塞約束，橡膠只能向上流動(dòng)，所以在膠芯頂部的位移較大，位移量為123.5mm。由于受到接箍的壓力和摩擦力，膠芯與接箍底端接觸的位置應(yīng)力較大，為13.2MPa。

0.04s時(shí)，接箍完全進(jìn)入膠芯時(shí)的位移云圖顯示，接箍已經(jīng)被橡膠全部包在內(nèi)部，此時(shí)較粗的接箍將橡膠向外擠壓，致使橡膠向接箍上部和下部流動(dòng)，對(duì)其形成包圍狀。由于防噴器內(nèi)膠芯上面的空間相對(duì)較大些，橡膠向上流動(dòng)較多，故橡膠的最大位移發(fā)生在其頂部，此時(shí)橡膠的位移為129mm。接箍與膠芯完全接觸時(shí)，接箍完全進(jìn)入所占空間，對(duì)橡膠的壓力更大，致使橡膠此時(shí)在其被拉扯擠壓下來的頂部邊界處產(chǎn)生集中應(yīng)力，橡膠的應(yīng)力為16.7MPa。

0.053s時(shí)，接箍與膠芯即將脫離，此時(shí)接箍上部的空隙已經(jīng)幾乎完全被橡膠填充，上部橡膠已經(jīng)形成對(duì)油管的密封。由于接箍對(duì)橡膠的擠壓大大降低，所以膠芯向初始密封狀態(tài)恢復(fù)，其頂部位移也減小，為121.1mm。當(dāng)接箍即將脫離膠芯時(shí)，橡膠開始恢復(fù)初始封井狀態(tài)，故應(yīng)力也隨之變小，橡膠的應(yīng)力為11.81MPa。

0.058s時(shí)，接箍剛脫離膠芯，由于油管對(duì)橡膠仍存在向下的摩擦力，致使橡膠與油管接觸部分被向下拉扯，但由于摩擦力小，橡膠的流動(dòng)性較好，所以更多被擠壓下來的橡膠恢復(fù)至原頂部位置，位移變大為127.1mm。橡膠的應(yīng)力繼續(xù)變小，為11.05MPa。

建立系統(tǒng)膠芯橡膠應(yīng)力與加載時(shí)間關(guān)系曲線。在油管下放初始階段，接箍并未接觸膠芯時(shí)，膠芯中橡膠的應(yīng)力變化范圍為7.73～12.17MPa。0.024s時(shí)，接箍開始接觸膠芯，致使在這之后膠芯應(yīng)力波動(dòng)性升高，0.034s時(shí)，橡膠應(yīng)力達(dá)到極值23.9MPa。之后應(yīng)力又呈波動(dòng)性下降，直到0.058s時(shí)，接箍完全脫離膠芯后應(yīng)力會(huì)隨著膠芯恢復(fù)至初始封井狀態(tài)而趨于穩(wěn)定，膠芯中橡膠的應(yīng)力變化范圍為8.32～11.97MPa。該關(guān)系曲線圖中，應(yīng)力在大部分時(shí)間內(nèi)均低于其屈服強(qiáng)度23.8MPa，膠芯不會(huì)因應(yīng)力過大而損壞。

在下管過程中，該系統(tǒng)膠芯橡膠的接觸應(yīng)力值變化比較穩(wěn)定，說明其對(duì)井下氣體的密封更加穩(wěn)定，而且對(duì)膠芯的損傷降低，增大了膠芯的使用壽命。

3 結(jié)論

（1）液封氣減壓裝置是氣井帶壓作業(yè)井口防噴裝置的主要配件之一，主要由上下環(huán)形防噴器、液封氣短節(jié)、蓄能器、等壓力傳動(dòng)缸、液路壓力控制閥件、水泵等組成。

（2）該裝置的材質(zhì)選擇及熱處理符合GB/T20174-2006鉆井和采油設(shè)備鉆通設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，適合含硫化氫或二氧化碳?xì)饩膽?yīng)用。

（3）該裝置進(jìn)行了油管起下過程接箍通過環(huán)形防噴器時(shí)膠芯的形變與應(yīng)力分析，表明膠芯橡膠的接觸應(yīng)力值變化比較穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下氣體的可靠密封。

（4）該裝置在氣井帶壓作業(yè)中的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)密封氣體，延長(zhǎng)環(huán)形防噴器壽命，提高氣井帶壓作業(yè)的安全性能。