擴張式封隔器性能測試裝置的設計*

□ 谷 磊

中國石化石油工程技術研究院 北京 100101

1 設計背景

擴張式封隔器坐封后,能夠?qū)ξ挥谙虏康沫h(huán)空進行密封。為提高密封性能和保護膠筒,在擴張式封隔器膠筒上端設計了護肩機構(gòu)。護肩機構(gòu)能夠在膠筒脹封時產(chǎn)生塑性變形,與井壁形成摩擦力,防止膠筒承壓后產(chǎn)生位移和擠出變形。常規(guī)入井試驗受井筒結(jié)構(gòu)限制,只能進行上環(huán)空試壓,無法真實測試擴張式封隔器的工作狀態(tài)。并且對于上提解封擴張式封隔器而言,上環(huán)空試壓容易導致封隔器提前發(fā)生解封動作。擴張式封隔器需要在一定井眼范圍內(nèi)坐封,如外徑為178 mm的擴張式封隔器,需要在內(nèi)徑為241 mm的井筒內(nèi)坐封,由于存在10%井眼擴大率,這一封隔器在內(nèi)徑為265 mm的井筒內(nèi)同樣需要能夠坐封。

由以上介紹可知,擴張式封隔器的性能與現(xiàn)場試驗都有較高的要求。對此,筆者設計了擴張式封隔器性能測試裝置,用于模擬實際井況,充分測試擴張式封隔器的性能[1-5]。

2 擴張式封隔器結(jié)構(gòu)

擴張式封隔器結(jié)構(gòu)如圖1所示。擴張式封隔器通過膠筒進液膨脹,實現(xiàn)環(huán)空密封。擴張式封隔器工作時,由中心管進液孔進液。中心管內(nèi)憋壓超過啟動剪釘設定值后,剪斷啟動剪釘,單向閥向右運動,使液體進入膠筒,進而使膠筒膨脹。膨脹達到設定壓力值后,膠筒完全坐封。坐封后中心管內(nèi)停止進液,并開始泄壓,單向閥在彈簧的作用下復位并密封,使膠筒內(nèi)部保持壓力,從而保持坐封狀態(tài)。擴張式封隔器膠筒護肩機構(gòu)采用延展性較好的金屬塑性材料,并設計為鋸齒結(jié)構(gòu)。擴張式封隔器脹封過程中,護肩機構(gòu)產(chǎn)生變形,并緊貼井壁,增大擴張式封隔器與井壁的摩擦力。護肩機構(gòu)變形后開口朝向膠筒,防止膠筒受到下部環(huán)空高壓而發(fā)生破壞、擠出[6-7]。擴張式封隔器解封時,上提中心管,使膠筒腔體內(nèi)的液體由泄壓孔與管外連通,進而使膠筒腔體內(nèi)的高壓釋放,由此膠筒恢復到坐封前的狀態(tài),擴張式封隔器實現(xiàn)解封[8]。擴張式封隔器的外徑為178 mm,需要在內(nèi)徑為241～265 mm的井筒內(nèi)實現(xiàn)坐封。

3 擴張式封隔器性能測試裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)擴張式封隔器的結(jié)構(gòu)及工作條件,設計了擴張式封隔器性能測試裝置,能夠模擬真實井況條件,實現(xiàn)對擴張式封隔器坐封和解封性能進行測試[9-10]。測試裝置由坐封封頭、解封封頭、套管、驗封封頭、堵頭等組成,如圖2所示。測試過程中,將擴張式封隔器放入套管中,擴張式封隔器兩端分別連接坐封封頭、堵頭,并形成密封。解封封頭和驗封封頭通過螺紋與套管兩端連接固定,同樣形成密封。通過坐封封頭進液,使膠筒進液加壓,實現(xiàn)對擴張式封隔器進行坐封測試。通過驗封封頭進液加壓,實現(xiàn)對擴張式封隔器進行驗封測試。通過解封封頭進液加壓,實現(xiàn)對擴張式封隔器進行解封測試。

4 坐封測試

擴張式封隔器組裝好后,放入內(nèi)徑為241 mm的套管內(nèi),并連接各個封頭。坐封過程中,液體經(jīng)過坐封封頭進入中心管,并通過加壓泵加壓。壓力達到設定值后,剪斷啟動剪釘,單向閥向右運動,液體進入膠筒內(nèi)部,使膠筒發(fā)生膨脹。膠筒內(nèi)部承壓達到15 MPa,并保持5 min,確保擴張式封隔器完全脹封,然后停泵泄壓。泄壓后,單向閥在后端彈簧的作用下復位,使膠筒內(nèi)部繼續(xù)保持高壓,從而使膠筒保持坐封狀態(tài)。擴張式封隔器坐封狀態(tài)如圖3所示。

5 驗封測試

擴張式封隔器坐封后,膠筒膨脹,將套管分為上部環(huán)空與下部環(huán)空。驗封測試時,通過對下部環(huán)空進液加壓,驗證擴張式封隔器及其膠筒的密封壓力。擴張式封隔器驗封狀態(tài)如圖4所示。

液體由驗封封頭進入套管與擴張式封隔器之間的下部環(huán)空,如箭頭所示。液體充滿后,逐漸增大壓力,最終達到20 MPa,并保持15 min以上,擴張式封隔器成功實現(xiàn)坐封,密封壓力曲線如圖5所示。為了驗證擴張式封隔器在內(nèi)徑265 mm井筒內(nèi)的坐封性能,將內(nèi)徑為241 mm的套管更換為內(nèi)徑為265 mm的套管,并更換配套的解封封頭及驗封封頭,進行坐封及驗封測試。通過測試確認密封壓力仍可達到20 MPa,可見擴張式封隔器在內(nèi)徑為241～265 mm的井筒內(nèi)密封壓力均可達到20 MPa,超過設計指標(15 MPa)。

▲圖1 擴張式封隔器結(jié)構(gòu)▲圖2 擴張式封隔器性能測試裝置結(jié)構(gòu)▲圖3 擴張式封隔器坐封狀態(tài)▲圖4 擴張式封隔器驗封狀態(tài)

▲圖5 擴張式封隔器密封壓力曲線

6 解封測試

常規(guī)擴張式封隔器性能測試裝置不具備解封功能。在完成坐封后,需要通過拉伸試驗機使套管和中心管產(chǎn)生相對運動并超過解封剪釘設定值,進而使中心管泄壓孔與膠筒連通。膠筒高壓液體由泄壓孔排出，實現(xiàn)解封。筆者設計的擴張式封隔器性能測試裝置具備解封功能,通過對膠筒與中心管的上部環(huán)空進行加壓,即可實現(xiàn)膠筒與中心管產(chǎn)生相對運動,不再需要使用拉伸試驗機。擴張式封隔器解封狀態(tài)如圖6所示。液體通過解封封頭進入上部環(huán)空,如箭頭所示。液體充滿上部環(huán)空后,增大上部環(huán)空壓力。中心管兩端與套管固定,包括膠筒在內(nèi)的中心管以外部件產(chǎn)生向下運動的推力,達到解封剪釘設定值時,使膠筒與中心管泄壓孔連通并泄壓,進而實現(xiàn)解封。擴張式封隔器解封測試現(xiàn)場如圖7所示。

▲圖7 擴張式封隔器解封測試現(xiàn)場

▲圖6 擴張式封隔器解封狀態(tài)

7 結(jié)束語

為滿足擴張式封隔器性能測試的需求,設計了能夠?qū)崿F(xiàn)擴張式封隔器坐封和解封性能測試的擴張式封隔器性能測試裝置。應用這一性能測試裝置對外徑為178 mm的擴張式封隔器進行測試,確認該擴張式封隔器在內(nèi)徑為241～265 mm的井筒內(nèi)密封壓力均可達到20 MPa。與此同時,這一性能測試裝置具備解封功能,簡化了測試流程,提高了測試效率,具有推廣應用價值。