配水器外密封裝置研制與應(yīng)用

張 鑫，李 達(dá)，顧明峰，李 然

(1.江蘇油田礦業(yè)開發(fā)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.鹽城市金巨石油機(jī)械制造有限公司，江蘇 鹽城 224052 ； 3.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

分層注水技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)油氣田開采工程中的重要技術(shù)[1]。該技術(shù)主要通過封隔器將不同滲透率的地層進(jìn)行分隔，并根據(jù)各地層的不同壓力需求，采用配水器調(diào)配注水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各地層能量補(bǔ)充[2],如圖1所示。配水器對(duì)地層壓力的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用，須定期從井下起出進(jìn)行檢修[3-4]。目前，油氣田中應(yīng)用較多的是偏心式配水器[5]，其上、下兩端通過接箍和油管相連接，起出方式和油管起出相同。為防止放噴作業(yè)造成底層能量下降，此類井絕大多數(shù)采用帶壓作業(yè)[6]。然而，在帶壓起出作業(yè)過程中，因壓力作用，使配水器注水嘴處泄漏嚴(yán)重[7]，無法滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保指標(biāo)要求，且壓力過大時(shí)，易對(duì)工作臺(tái)上拆卸工人造成人身傷害。因此，帶壓起出配水器時(shí)需對(duì)其水嘴處進(jìn)行密封，傳統(tǒng)的配水器密封方法主要通過投注堵塞器封堵，實(shí)現(xiàn)對(duì)配水器的內(nèi)密封。然而，堵塞器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投注難度較大，且由于管柱內(nèi)壁水垢及井下裝置的銹蝕等環(huán)境因素的制約，導(dǎo)致該密封方法效果不佳、安全性能不足等問題[8]。

筆者通過對(duì)現(xiàn)有配水器密封技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行深入剖析，并結(jié)合帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的需求，研制了一套高性能的配水器外部密封裝置，且通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的外密封裝置的有效性。

圖1 分層注水原理

1 配水器外密封裝置結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)

配水器外密封裝置主要由上殼體、密封殼體、自封膠芯、防竄卡瓦、限位擋圈、復(fù)位彈簧、下殼體等組成，如圖2所示。其中，密封殼體兩端分別同上、下殼體通過螺紋連接，且密封殼體兩端內(nèi)腔分別設(shè)有自封膠芯。下殼體內(nèi)腔設(shè)有6個(gè)呈環(huán)形分布燕尾槽導(dǎo)軌，并在導(dǎo)軌上安裝6片規(guī)格相同的防竄卡瓦，下殼體螺紋連接端頂部裝有限位擋圈，在限位擋圈與密封殼體之間裝有復(fù)位彈簧。由于偏心配水器上注水嘴位置不一，為提高外密封工具的通用性，將注水嘴位置統(tǒng)一劃分成配水器上半段和下半段2個(gè)區(qū)域，并根據(jù)這兩個(gè)區(qū)域分別設(shè)計(jì)了2種規(guī)格的外密封裝置，2種裝置結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于防竄卡瓦與自封膠芯的相對(duì)安裝位置的不同，其余部分的結(jié)構(gòu)基本保持不變。

1—下殼體；2—防竄卡瓦；3—限位擋圈；4—復(fù)位彈簧；

1.2 工作原理

配水器外密封裝置上殼體的內(nèi)徑大于油管接箍的外徑，小于配水器本體直徑。整個(gè)裝置外徑小于帶壓作業(yè)井口裝置防噴腔的直徑。在預(yù)知配水器將要到達(dá)的前期，將該裝置下入帶壓作業(yè)的防噴腔內(nèi)，坐在井口大四通底部。配水器外密封裝置不影響油管的正常起出作業(yè)。待起到偏心配水器時(shí)，其從底部進(jìn)入外密封裝置的內(nèi)腔，帶動(dòng)下殼體上的楔形式防竄卡瓦沿著燕尾槽軌道向上滑動(dòng)。由于6片楔形卡瓦下端形成的環(huán)形空間比上端環(huán)形空間大，其向上滑動(dòng)過程中對(duì)配水器的阻力相對(duì)較小，因而配水器能夠順利進(jìn)入外密封裝置內(nèi)腔。配水器完全進(jìn)入外密封裝置時(shí)，外密封裝置上殼體臺(tái)階能夠?qū)⑵鋼踝。蛊錈o法繼續(xù)上行。此外，卡瓦上滑時(shí)還推動(dòng)限位擋圈擠壓復(fù)位彈簧，當(dāng)擠壓到一定程度時(shí)，復(fù)位彈簧給卡瓦向下的作用力使其向下滑動(dòng)，此時(shí)卡瓦對(duì)配水器摩擦力增大，能夠?qū)⑴渌骶o緊夾住，避免其因管內(nèi)壓力作用造成向上竄動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)配水器限位的目的。隨著管柱的上提，配水器和配水器外密封裝置一起離開帶壓作業(yè)防噴腔，到達(dá)井口上部。由于配水器水嘴處于上、下自封膠芯之間，形成環(huán)形密封空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)配水器的外密封作業(yè)。

1.3 技術(shù)參數(shù)

以油管接箍外徑?89 mm，配水器外徑?114 mm，帶壓作業(yè)井口裝置防噴腔直徑?186 mm為例。

外形尺寸

?170 mm×600 mm

最大通過工具直徑尺寸

?94 mm

外密封裝置額定承壓

21 MPa

外密封裝置整體質(zhì)量

<45 kg

自封膠芯材料

丁晴橡膠

2 防竄卡瓦組件結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能分析

防竄卡瓦是配水器外密封裝置的關(guān)鍵部件，其作業(yè)性能直接決定外密封裝置的安全。綜合考慮作業(yè)空間及制造成本等問題，設(shè)計(jì)了單向自鎖式卡瓦實(shí)現(xiàn)對(duì)配水器的夾持動(dòng)作。為確保設(shè)備的實(shí)用性能和安全性能，需進(jìn)一步對(duì)防竄卡瓦組件進(jìn)行力學(xué)性能分析[9-10]。

2.1 防竄卡瓦組件結(jié)構(gòu)

防竄卡瓦組件由6片規(guī)格相同的防竄卡瓦、下殼體、限位擋圈、復(fù)位彈簧等組成，如圖3所示。

1—復(fù)位彈簧；2—限位擋圈；3—下殼體；4—防竄卡瓦。

從圖3可以看出，6片防竄卡瓦均勻分布在外密封裝置下殼體的燕尾槽軌道內(nèi)，相鄰兩片卡瓦之間的夾角呈60°，且每片卡瓦與配水器的接觸包角為36°。

2.2 防竄卡瓦受力分析

分析防竄卡瓦力學(xué)性能之前，需綜合考慮整套外密封裝置的受力情況。其中，在額定壓力作用下，外密封裝置整體受到最大沖擊力為：

(1)

式中：Fmax為外密封裝置受到的最大沖擊力；pe為外密封裝置額定承載壓力；A為環(huán)形空間受力面積；R1為外密封裝置的內(nèi)徑；R2為配水器的外徑。

防竄卡瓦若要滿足對(duì)配水器的夾持需求，其卡瓦牙與配水器外壁間的摩擦力大小應(yīng)滿足：

Ff≥Fmax-G

(2)

式中：Ff為卡瓦牙與配水器外壁間的摩擦力；G為外密封裝置整體重力。

由于6片卡瓦規(guī)格尺寸均相同，且在外密封裝置環(huán)形空間內(nèi)以等角度均勻分布，因此其受力大小基本一致，故選取單片卡瓦為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 單片卡瓦受力示意

配水器外密封裝置相對(duì)配水器向上竄動(dòng)時(shí)，單片卡瓦所受的軸向載荷為：

(3)

式中：n為防竄卡瓦組中的卡瓦片數(shù)。

根據(jù)受力平衡可知：

(4)

式中：N1為配水器對(duì)單片卡瓦的徑向載荷；F2為卡瓦與燕尾槽軌道之間摩擦力；α為卡瓦楔角角度；N2為外密封裝置下殼體對(duì)單片卡瓦的作用力。

根據(jù)摩擦定律可得：

(5)

式中：f1為配水器與卡瓦間的摩擦因數(shù)；f2為卡瓦與燕尾槽軌道之間的摩擦因數(shù)；b為卡瓦與燕尾槽軌道接觸寬度；g為重力加速度；β為卡瓦與燕尾槽軌道之間的摩擦角度。

聯(lián)立式(3)～(5)可解得N1和N2分別為：

(6)

通過上述計(jì)算分析可知，防竄卡瓦力學(xué)性能主要受卡瓦楔角α、摩擦角β及斜面寬度b等參數(shù)取值的影響。綜合考慮帶壓作業(yè)實(shí)際工況，選取防竄卡瓦楔角為α=10°，防竄卡瓦與燕尾槽軌道間的摩擦角β=10°，防竄卡瓦楔形斜面寬度b=0.03 m。因此，可計(jì)算出卡瓦與配水器間的臨屆摩擦因數(shù)f1為0.1。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和加工條件，本裝置選取接觸表面摩擦因數(shù)為0.3的溝槽式的卡瓦，以滿足配水器的卡緊和密封作業(yè)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)前期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，配水器外密封裝置各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)已經(jīng)在鹽城市金巨石油機(jī)械制造有限公司批量生產(chǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)物如圖5所示。

圖5 偏心式配水器外密封裝置實(shí)物

4 結(jié)論

1) 研制的配水器外密封裝置，能夠與帶壓作業(yè)機(jī)協(xié)同作業(yè)，且不影響油管的正常起出工作。所設(shè)計(jì)的2種結(jié)構(gòu)形式相近的外密封裝置，有效解決了偏心配水器的出水嘴位置及尺寸不一的限制。

2) 裝置中自封膠芯及單向自鎖式滑動(dòng)卡瓦充分利用了井內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)配水器的密封，大幅降低了設(shè)備的復(fù)雜程度及生產(chǎn)成本。解決了帶壓作業(yè)過程中配水器的密封問題。