防砂封隔器試驗研究

趙海杉 魏愛拴 周云華 劉禹銘 嚴(yán)孟凱

1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452

2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司 周云華 天津 300459

由于海上油田的特點，大部分井都需要進(jìn)行防砂作業(yè)，防砂技術(shù)是海上油氣田大規(guī)模開發(fā)的技術(shù)前提。井下防砂工具能夠?qū)崿F(xiàn)有選擇性防砂，確保原油順暢流出。封隔器是防砂工具中最重要的一種工具，見圖1。它的性能直接關(guān)系到防砂的成敗，主要通過對封隔器的試驗研究，分析總結(jié)試驗現(xiàn)象，為后期工具研究提供依據(jù)。

圖1 封隔器結(jié)構(gòu)

1 封隔器技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計，9-5/8”改進(jìn)型頂部封隔器技術(shù)要求是：適用于9-5/8”套管（40～47#），打壓至3000Psi×5min坐封到位，坐封試驗最大承載90t，然后驗封5000psi×10min，不降為合格。下面計算套管內(nèi)多大的壓強會產(chǎn)生相當(dāng)于90t的掛載力，經(jīng)查閱手冊，47#套管內(nèi)徑為220.5mm，其內(nèi)徑截面積為S=πr20.03871m2，壓力等于壓強乘以面積：F=P×S，即90×1000×9.8=P×0.03817，通過計算得出p=23.11MPa=3350Psi。同理，通過計算當(dāng)驗封5000Psi時，對卡瓦產(chǎn)生約134t的掛載力。因此，我們在對封隔器坐封后，進(jìn)行驗封，在3350psi時，將對卡瓦產(chǎn)生90t的壓載力，并以此作為掛載試驗。

2 試驗過程

2.1 座封

座封程序：灌水連接管線，進(jìn)行打壓座封：500Psi×3min，1300Psi×3min，1800Psi×5min，2500Psi×5min。

表1 座封現(xiàn)象記錄

2.2 驗封

1）反向驗封：套管組合：3.15m短套管+套管變扣接頭9-5/8”BTCP×5-1/2”STCB+5-1/2”STCP×310+311×1/2”NPT。封隔器組合：封隔器+7-5/8”延伸筒（1.2m）+7-5/8”STC P X 7”STC P+7”STC B堵頭。

反向驗封現(xiàn)象：1600Psi之前觀察到套管與膠筒環(huán)空漏水，高壓時套管與膠筒環(huán)空不漏；3000psi以上漏壓趨緩，判斷是封隔器O圈或者封隔器組合的絲扣連接漏水；3350Psi時，封隔器未見軸向竄動，壓力未降，經(jīng)計算此時卡瓦掛載力為90t，故驗證卡瓦合格。

2）正向驗封：

正向驗封工具組合：套管變扣接頭9-5/8”BTCP*5-1/2”STCB+變扣5-1/2”STCP*變扣310+試壓堵頭311*1/2”NPT+2m短套管+3.15m短套管+套管變扣接頭9-5/8”BTCP*5-1/2”STCB+變扣5-1/2”STCP*310

服務(wù)工具組合：盲堵3-1/2”EUEP+190-60正轉(zhuǎn)脫手工具+盲堵3-1/2”EUEP

封隔器組合：封隔器+7-5/8”延伸筒（1.2m）+7-5/8”STC P X 7”STC P+7”STC B堵頭，7-5/8延伸筒（長1.2m）是為封隔器接盲堵的變扣，（盲堵+正轉(zhuǎn)脫手工具+盲堵）的作用是在當(dāng)反向驗封不成功時，正向驗封時使用，以確定反向驗封是膠筒漏還是坐封工具漏。

2.3 解封

封隔器左旋脫手無法脫手，封隔器本體可以自由轉(zhuǎn)動，無法解封。用旋轉(zhuǎn)車床切割套管，切割位置為距離卡瓦約2cm的下錐體處的套管。

3 試驗現(xiàn)象分析

3.1 現(xiàn)象分析

根據(jù)試驗中出現(xiàn)的連接套破裂，導(dǎo)向銷剪斷，以及坐封后部分工具拆卸困難等試驗現(xiàn)象，分析說明如下：

在連接完成試壓工具之后，封隔器上部套管內(nèi)打壓至4800Psi，心軸、鎖環(huán)、連接套之間的作用力為75.77t，由于連接套承載力有限，在此作用力下連接套發(fā)生破裂，連接套破裂后鎖緊機構(gòu)失效，心軸、下錐體、導(dǎo)向銷在此作用力下迅速下移，于此同時，卡瓦和卡瓦套仍固定在套管壁上，圖紙測量可得心軸相對于上錐體的下移行程為48.2mm，其大于導(dǎo)向銷此時的軸向行程28.1mm，致使兩個導(dǎo)向銷在心軸下移過程中發(fā)生剪切，此時卡瓦無下錐體支撐，鎖環(huán)失效同時巨大撞擊力可使上錐體脫離卡瓦，膠筒快速復(fù)位，套管內(nèi)壓力歸0，因此膠筒密封和卡瓦懸掛全部失效。

由于撞擊力產(chǎn)生的動能過大，使得上接頭、心軸、脫手工具之間的連接螺紋被擠緊或擠損，以致無法常規(guī)拆卸。

綜上所述，驗證卡瓦懸掛力時需重點考慮鎖環(huán)連接處的強度，避免鎖環(huán)連接處的負(fù)載過大，防止鎖環(huán)失效引起巨大的沖擊動能，進(jìn)而保證試驗的準(zhǔn)確性和安全性。

3.2 驗封工況下受力計算

反向和正向驗封后，發(fā)現(xiàn)套管坐封位置鼓脹了3mm，3mm的擴(kuò)徑（約223mm）小于40#套管224.4mm的內(nèi)徑，本封隔器為40～47#通用封隔器。結(jié)合上面分析認(rèn)為套管的膨脹和封隔器的竄動沒有關(guān)系。

（1）已知條件

套管規(guī)格為9 5/8” 47# N80套管，內(nèi)徑為220.5mm，套管的內(nèi)屈服壓力為47.3MPa，管體屈服強度為483MPa，驗封壓力為4500Psi和4800Psi兩種工況，設(shè)定坐封軸向推力為F，設(shè)定每片卡瓦對套管徑向推力為N，設(shè)定卡瓦與套管直接的摩擦因數(shù)為f，取上、下錐體與卡瓦牙的摩擦因數(shù)為f1=0.1，卡瓦牙片數(shù)為n=6。

（2）受力分析

a）求解驗封為4800Psi工況下的軸向推力

b）求解驗封為4500Psi工況下的軸向推力

c）求解每片卡瓦對套管的徑向推力N

驗封過程中，上錐體和卡瓦牙的受力分析如下圖所示

根據(jù)圖2和圖3建立受力平衡方程，經(jīng)過力學(xué)換算該工況下的受力結(jié)果如下：

圖2 上錐體受力分析圖

圖3 卡瓦牙受力分析圖

（3） 驗封為4800Psi工況下的有限元分析

添加實際驗封工況條件后，以套管本體為研究目標(biāo)，提取套管上應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 套管受力分析

為了進(jìn)一步觀察計算結(jié)果，通過軟件后處理，篩選得到高于管體屈服應(yīng)力的應(yīng)力值分布如圖5所示。

圖5 卡瓦坐封位置應(yīng)力分布

如圖5所示，卡瓦牙坐封位置環(huán)形一周的局部應(yīng)力分布為500～750MPa均高于管體的屈服強度，故套管會發(fā)生屈服變形，徑向尺寸增大。

（4） 驗封為4500Psi工況下有限元分析

如下圖所示，添加實際驗封工況條件后，以套管本體為研究目標(biāo)，提取套管上應(yīng)力分布如圖6。

圖6 套管上應(yīng)力分布

為了進(jìn)一步觀察計算結(jié)果，通過軟件后處理，篩選得到高于管體屈服應(yīng)力的應(yīng)力值分布如圖7所示。

圖7 卡瓦屈服變形

如圖7所示，卡瓦牙坐封位置環(huán)形一周的局部應(yīng)力分布為500～700MPa均高于管體的屈服強度，故套管在此工況下也會發(fā)生一定的屈服變形，但比較4800Psi工況下的應(yīng)力、應(yīng)變值分布均值偏小。

4 結(jié)束語

1）本次試驗的主要目的是驗證改進(jìn)型封隔器坐封到位后卡瓦的軸向承受能力，設(shè)計要求滿足90t的掛載力（套管內(nèi)打壓至3350Psi），實際試驗結(jié)果達(dá)到120.6t（套管內(nèi)打壓至4500Psi×10min），故封隔器坐封到位后卡瓦的軸向承載能力滿足設(shè)計要求。

2）封隔器坐封到位后的膠筒試壓，設(shè)計要求滿足5000Psi×10min的膠筒承壓，實際試驗結(jié)果達(dá)到上部試壓4500Psi×10min，且試壓過程中壓力保持穩(wěn)定，由于試驗條件不理想，無法繼續(xù)驗證至設(shè)計參數(shù)，但根據(jù)以往實踐經(jīng)驗和該膠筒的密封原理，可判斷改進(jìn)型頂部封隔器膠筒坐封后滿足設(shè)計要求。

3）為了驗證改進(jìn)型頂部封隔器各項設(shè)計參數(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，下一步需要再對改進(jìn)型頂部封隔器進(jìn)行地面功能試驗，同時，經(jīng)過首次改進(jìn)型頂部封隔器的地面功能試驗，我們發(fā)現(xiàn)了驗證頂部封隔器功能參數(shù)更合適的試驗方法，以及確定試驗過程中更合理的試驗參數(shù)。