注水井生產封隔器液壓坐封球座的研制

張繼永，李越，李英松，陳磊，時營磊，于沖，張洪波

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在油氣田生產中，通常利用封隔器坐封在套管或裸眼中，用于封隔管柱之間或管柱與井眼之間的環(huán)形空間，阻止環(huán)形空間內流體流動，從而達到穩(wěn)定注采的目的。封隔器根據不同的使用需求有以下幾種應用：1）封隔套管射孔段或裸眼段，滿足分層防砂、儲層改造、控水堵水等作業(yè)需要；分層開采，防止層間流體竄通、壓力干擾，滿足采油（氣）井生產和注水的封隔作用。2）封隔油管與套管環(huán)空，起到保護套管和安全生產的作用。3）懸掛管柱的作用[1]。封隔器的種類有很多，按照坐封方式分為提放管柱坐封封隔器、轉動管柱坐封封隔器、自封封隔器、液壓坐封封隔器、井下服務工具坐封封隔器、熱力封隔器等。其中液壓坐封封隔器坐封程序簡單、結構可靠，在油氣井注采過程中應用較為廣泛[2]。對液壓坐封封隔器通常需要對封隔器進行憋壓，在油氣井注采過程中普遍采用投撈堵塞器[3]或投球剪切球座[4]的方式配合井口打壓進行封隔器的坐封。

在油氣田開發(fā)過程中，通常利用注水井向油層注水，以達到提高油氣田產量的目的。注水作業(yè)中需要下入生產封隔器以解決環(huán)空帶壓問題并起到保護套管的作用，生產封隔器屬于壓縮式封隔器，坐封方式為液壓坐封。利用鋼絲作業(yè)投撈堵塞器的方式坐封生產封隔器會占用井口時間并需要大量的人力物力，且受井斜限制，大位移井、水平井作業(yè)難度大。利用常規(guī)的球座配合鋼球對生產封隔器進行封堵憋壓以坐封生產封隔器，球座打落后需要進行反洗作業(yè)以將鋼球沖返井口，防止阻塞井筒，采用此種方式坐封生產封隔器容易導致坐封球離開球座內錐面后會連同內筒一起掉落，容易堵塞通道，形成井底落魚，甚至會造成卡鉆的風險，給后續(xù)的作業(yè)增大難度，且剪切后需要反洗作業(yè)，作業(yè)步驟繁瑣[5]。為此，需要一種井下生產封隔器坐封工具來優(yōu)化注水管柱生產封隔器坐封過程，以達到簡化作業(yè)步驟、縮短作業(yè)時間、增大井筒適用性的目的。

1 結構組成和工作原理

液壓式坐封球座配套可溶球，應用于注水井管柱生產封隔器的坐封。坐封球座內置橋式通道，生產封隔器坐封打落球座后，流體可通過橋式通道通過，可溶球溶解后可恢復管柱通徑。

1.1 結構組成

液壓式坐封球座由上接頭、下接頭、球座、內套、可溶球[6]、剪釘、密封圈、緊固螺釘?shù)攘悴考M成，如圖1所示。

1.2 工作原理

液壓式坐封球座工作原理示意如圖2所示，液壓式坐封球座內置橋式通道，配套可溶球使用，可用于注水管柱生產封隔器的坐封。該工具上下與油管連接，隨油管下入，安裝在注水管柱的生產封隔器下端。生產封隔器坐封之前，管柱內液體可通過主通道及橋式通道。當需要坐封生產封隔器時，由井口油管投入可溶球，連接打壓裝置，將可溶球追球到位坐落到液壓式坐封球座的密封面，使得球座密封型面以上部分成為死腔，打壓至生產封隔器設計坐封壓力并保壓足夠時間。當生產封隔器充分坐封之后，持續(xù)打壓使得球座的剪釘剪斷，支撐可溶球的球座向下移動，橋式通道打開，此時可溶球尚未溶解，主通道關閉，流體可通過橋式通道流動，不影響管柱過流。當可溶球溶解到外徑小于球座內徑時，可溶球落至井下，直至完全溶解，此時主通道和橋式通道均可過流。

圖2 液壓式坐封球座工作原理示意

2 坐封球座強度分析

2.1 坐封球座靜力學分析

液壓式坐封球座隨油管下入，作業(yè)及生產過程中在井下受力情況復雜，最危險工況會有高強度拉伸、扭轉、外壓載荷。綜合分析液壓式坐封球座各零部件，為增大過流面積，液壓式坐封球座的下接頭部分存在變徑且壁厚較薄，相對于其它零部件，液壓式坐封球座下接頭屬于最為薄弱部件，在薄弱位置會出現(xiàn)局部屈服和危險截面的局部區(qū)域應力集中。故對液壓式坐封球座下接頭主要承受的拉、扭、外壓3種載荷進行逐一分析，為簡化分析計算過程，略去摩擦力、彎矩、摩擦力矩等次要因素[7]。

2.1.1 坐封球座下接頭受拉伸力學模型

液壓式坐封球座下接頭抗拉強度[8]計算公式為

式中：σ為液壓式坐封球座下接頭受軸向力產生的拉伸應力，MPa；F為液壓式坐封球座下接頭所受軸向拉力，N；D為液壓式坐封球座下接頭外徑，mm；d為液壓式坐封球座下接頭內徑，mm。

2.1.2 坐封球座下接頭受拉扭轉力學模型

液壓式坐封球座下接頭屬于空心圓軸，由材料力學知識可知最大扭轉切應力[7]為

式中：τmax為液壓式坐封球座下接頭所受的最大扭轉切應力，MPa；T為液壓式坐封球座下接頭所受的扭轉力矩，N·m；R為液壓式坐封球座下接頭最大半徑，m；Ip為截面極慣性矩，cm4。

2.1.3 坐封球座下接頭受外壓力學模型

液壓式坐封球座下接頭屬于空心圓軸，其徑比K＞1.1～1.2，為厚壁圓筒，其三向應力表達式[9]為：

式中：σr為液壓式坐封球座下接頭徑向應力，MPa；σθ為液壓式坐封球座下接頭周向應力，MPa；σz為液壓式坐封球座下接頭切向應力，MPa；pi為液壓式坐封球座下接頭所受內壓，MPa；p0為液壓式坐封球座下接頭所受外壓，MPa；Ri為液壓式坐封球座下接頭內徑，mm；R0為液壓式坐封球座下接頭外徑，mm。

2.2 坐封球座下接頭有限元分析

2.2.1 坐封球座下接頭有限元分析模型

由式（1）～式（3）可得出液壓式坐封球座下接頭在受拉力、扭轉液壓式坐封球座和外壓載荷工況下的力學模型。以上下扣型為3-1/2 in EUE BOX～3-1/2 in EUE PIN、最大外徑為136 mm、最小內徑為96 mm、長度為460 mm的液壓式坐封球座為例對其進行有限元分析。已知該工具極端工況下所受最大拉力為921 kN，最大扭轉力偶矩為5310.4 N·m，最大外壓為21 MPa。

2.2.2 坐封球座下接頭有限元結果分析

將液壓式坐封球座下接頭導入ANSYS Workbench模塊，并對其進行網格劃分，網格劃分結果如圖3所示。其中網格劃分方法選擇“Tetrahedrons”，網格劃分平均質量為0.789 39。

圖3 液壓式坐封球座下接頭網格劃分

液壓式坐封球座材料選用42CrMo，材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28，屈服極限為930 MPa。在ANSYS Workbench模塊中對液壓式坐封球座下接頭根據工況施加載荷關系，加載采用組合加載方式，最大拉力為921 kN，最大扭轉力矩為5310.4 N·m，最大外壓為21 MPa。

液壓式坐封球座下接頭仿真求解的應力分布云圖如圖4所示。由應力仿真計算結果可知，在組合載荷下液壓式坐封球座下接頭所受最大應力為859.36 MPa，小于液壓式坐封球座本體材料的屈服極限應力930 MPa，本體大部分應力小于307.04 MPa，其應力分布趨勢與彈塑性力學分析結果相符，在緊固螺釘安裝孔附近產生應力集中現(xiàn)象，并且遠離圓孔區(qū)域上的應力也隨之減小[7]。

圖4 液壓式坐封球座下接頭應力分布圖

液壓式坐封球座下接頭仿真求解的應變分布如圖5所示。由應變仿真計算結果可知，在施加組合載荷的作用下，液壓式坐封球座下接頭最大變形量為0.283 92 mm，發(fā)生在上端部，此處最大變形量仍然處于材料彈性變形階段。由整體應變仿真結果可知，在組合載荷的作用下，液壓式坐封球座下接頭具有一定的剛度，能夠滿足液壓式坐封球座的設計要求。

圖5 坐封球座下接頭仿真求解的應變分布

3 坐封球座試驗驗證

3.1 試驗背景

海上某注水井管柱工具壓力等級21 MPa，管柱涉及生產封隔器，生產封隔器坐封過程中需滿足階梯穩(wěn)壓，即打壓3 MPa穩(wěn)壓5 min、打壓10 MPa穩(wěn)壓5 min、打壓17 MPa穩(wěn)壓15 min，封隔器穩(wěn)壓結束，繼續(xù)打壓至球座剪釘剪斷，最大壓力不超過21 MPa，球座剪釘剪斷后可進行注水作業(yè)。

3.2 試驗分析

1）將坐封球座上下兩端分別連接試壓工裝，進行本體壓力等級測試，打壓至21 MPa，試驗曲線如圖6所示。由圖6曲線可知，打壓至21 MPa坐封球座可穩(wěn)壓，說明坐封球座滿足壓力等級要求。

圖6 坐封球座本體壓力等級測試曲線

2）將坐封球座正放，投入可溶球后在上接頭端連接試壓堵頭，試驗實物連接如圖7所示。坐封球座階梯保壓及剪切測試曲線如圖8所示。由圖8測試曲線可知，坐封球座可實現(xiàn)3、10、17 MPa階梯穩(wěn)壓，當打壓至20 MPa球座剪切，橋式通道過流。

圖7 試驗實物連接圖

圖8 坐封球座階梯保壓及剪切測試曲線

由以上試驗結果可以看出，所設計的坐封球座可滿足該注水井壓力等級下生產封隔器正常作業(yè)的坐封需求。球座剪切后球座不再憋壓，液體由橋式通道流向下端，球座剪切后可進行正常注水作業(yè)。

4 結論

1）對坐封球座進行了結構設計，并詳細闡述了該工具的工作原理，該工具可用于注水管柱生產封隔器的坐封，并且能夠保證生產封隔器充分坐封的同時減少作業(yè)時間、優(yōu)化作業(yè)步驟、增大井筒適用性。

2）采用ANSYS Workbench軟件對液壓式坐封球座在實際的工況下進行仿真分析，仿真結果表明，在極限工況下液壓式坐封球座應力小于材料許用安全強度，所設計液壓式坐封球座結構在強度上能夠滿足實際工況下的正常使用要求。

3）經試驗驗證，所設計坐封球座可滿足注水管柱壓力等級要求，可應用于注水井生產封隔器的坐封。