分級解封長膠筒封隔器的結構及性能分析

馮 燕，伍開松

（西南石油大學　機電工程學院，成都610500）

分級解封長膠筒封隔器的結構及性能分析

馮 燕，伍開松

（西南石油大學機電工程學院，成都610500）

針對特高含水期精細分層注水存在的多級封隔器解封困難，以及小隔層分層注水封隔器偏離隔層現象，研制了分級解封長膠筒封隔器。該封隔器能夠實現分級解封，解封力小，結構簡單，容易操作。利用A B A Q U S有限元分析軟件對封隔器的長膠筒進行分析，確保長膠筒的密封及錨定功能的可靠性。

分層注水；封隔器；結構；有限元分析

分層注水是高含水后期、特高含水期繼續提高水驅采收率的主要工藝和研究方向，也是實現油田長期高產穩產的重要開采手段。我國許多大中型油田開發已進入特高含水期，主要潛力已由層間轉為層內、由主力油層轉為非主力的薄差油層。針對油層含水高、油層動用差異大以及薄差層動用厚度比例低等問題，必須實行精細分層注水開發，提高油層的動用程度。

精細分層后，單井注水層段由4段增加到6～7段，需要的注水封隔器級數增多，管柱解封力增大。目前，油氣田常用的封隔器是上接頭與下接頭連接為一體，解封時同步解封，多級使用時，解封力為單級封隔器解封力與封隔器數量的乘積，解封力相當大，現有的作業設備不能滿足需要。常規注水封隔器膠筒長度為0．13m，注水管柱在注水狀況下軸向伸縮±0．13m，磁性定位誤差±0．1m，理論上保證封隔器膠筒始終處于未射孔隔層內的最小間距為±0．46m［1］。在實際應用中，由于井下各種因素以及管柱蠕動的影響，對于隔層厚度小于0．8m的分層注水井，封隔器工作過程中有可能偏離隔層，造成注水失效。

為了解決上述問題，滿足注水井層段細分調整的需要，研制了分級解封長膠筒封隔器。該分級解封長膠筒封隔器解封時只用移動上部分，每級封隔器單獨受力解封，由此實現分級解封，解封力小，解封可靠，并設計有反洗井通道，且采用長膠筒可以保證密封效果，封隔器整體結構簡單，易于操作。

1 封隔器結構

該分級解封長膠筒封隔器屬于壓縮式，主要由上下接頭、內外中心管、膠筒、坐封機構、反洗井機構、鎖緊機構和分級解封機構等組成，如圖1所示。

圖1 分級解封長膠筒封隔器結構

2 工作原理

1） 坐封。從油管加液壓，液壓由內中心管孔眼作用在活塞上，活塞推動卡簧套上行，剪斷坐封銷釘，卡簧套進一步推動護套上行，壓縮膠筒，膠筒受壓后徑向產生膨脹，從而封隔油套環空；卸壓后，鎖緊機構卡簧與卡簧套相嚙合，防止膠筒回彈，完成封隔器坐封。

2） 洗井。從油套環空加液壓，液體經上接頭上的洗井入水孔打開洗井單向閥，洗井液經內中心管和外中心管的環形空間從卡簧套上端的孔流出，進入下一級封隔器環空，依次經過每級封隔器的洗井通道，最后從管柱底部的篩管和擋球進入油管，再從油管返回到地面，實現反洗井。

3） 正常注水。油管內液體壓力大于油套環空壓力，洗井單向閥不會反向打開，保證封隔器有效封隔。

4） 解封。需要上提管柱，內中心管隨上接頭上移，拉斷解封銷釘，解除鎖定，膠筒回彈，外中心管因為密封膠筒和套管的摩擦作用而保持不動，下接頭離開內中心管，封隔器實現解封。繼續上提管柱，內中心管端部凸臺與轉接套掛接，帶動下接頭上移，進行下一級封隔器的解封。

3 主要技術參數

總長度850mm最大外徑?115mm最小通徑?55mm坐封壓力12mPa工作壓差35mPa工作溫度120℃適用套管尺寸139．7mm

4 性能特點

1） 封隔器內中心管端部凸臺與轉接套掛接，上提上接頭，拉斷解封銷釘，膠筒回彈，內中心管隨上接頭一起上移，與下接頭分開，因此，封隔器解封只用移動上部分，能夠實現逐級解封，解封載荷小。

2） 封隔器采用長膠筒，對于精細注水的小隔層，即使膠筒覆蓋到射孔井段也能保證密封效果，并且長膠筒還可以提供錨定功能。

3） 膠筒兩端采用筒形硫化頭，有效改善應力分布，使封隔器密封可靠，解封靈活。

5 長膠筒有限元分析

由于封隔器的邊界條件較復雜，有限元方法需要將封隔器的內中心管、膠筒、兩端護套以及套管作為整體進行分析［2］。根據壓縮式封隔器的工作原理，主要分析膠筒與套管間的非線性接觸情況［3］。

5．1 幾何模型建立

利用有限元分析軟件A B A Q U S建立封隔器的軸對稱模型，護套、中心管、套管材料定義為鋼，膠筒材料為超彈性不可壓縮材料，采用丁腈橡膠，選擇Yeoh三次冪本構模型來模擬橡膠材料，材料常數為C10＝3．465，C20＝－3．245 8，C30＝5．380 5；膠筒采用4節點C A X4R H單元劃分網格，護套、中心管和套管采用C A X4R劃分網格，材料參數如表1所示。

表1 模型參數

建立的分析模型如圖2所示，邊界條件為中心管和套管兩端在y方向固定，上護套上端在y方向固定，另外套管在x方向固定，載荷加在下護套下端。

圖2 封隔器長膠筒模型

考慮接觸時的摩擦因數，膠筒與護套、護套與中心管之間的摩擦因數取0．1，而膠筒與套管間接觸問題比較復雜，封隔器膠筒系統在正常工作過程中，其摩擦因數在不同的工況下會有所變化，即摩擦因數不是一個定值，但通過摩擦因數測定實驗表明橡膠與金屬間的摩擦因數0．3～0．4［4］，本文取摩擦因數f＝0．3，在工作壓差為30mPa情況下進行膠筒的有限元分析。

5．2 分析結果

圖3為長膠筒壓縮變形后的等效應力圖，圖4 為f＝0．3的法向接觸應力曲線，圖5為f＝0．3的接觸摩擦切應力曲線。由圖可以看出，受力最大部件為中心管，應力為163．8mPa，小于許用應力，中心管為安全狀態；膠筒的最大應力為41．08mPa，膠筒的接觸密封區域很大，膠筒的最大法向接觸應力和接觸摩擦切應力都出現在加載端與下護套接觸的膠筒部位，符合封隔器膠筒的加載受力規律。

圖3 長膠筒壓縮變形后的等效應力

圖4 f＝0．3時的法向接觸應力曲線

圖5 f＝0．3時的接觸摩擦切應力曲線

5．3 長膠筒的功能分析

1） 密封功能。

密封元件的承壓能力取決于接觸應力，即能否實現有效密封的關鍵在于接觸應力是否足夠大。美國托馬斯等人提出，封隔器的承壓能力，是膠筒元件在密封中所產生的壓力（或應力）的函數，這個應力不得低于工作壓差，才能達到和維持密封［4-5］。膠筒在密封中所產生的法向應力即接觸應力，由圖4分析可知，工作壓差為30mPa時，長膠筒與套管間的最大接觸應力大于30mPa。因此，該長膠筒能夠實現密封功能。

2） 支撐功能。

封隔器坐封前由于重力作用使整個管柱居于水平段底部。膠筒壓縮后與套管接觸產生正壓力，并隨著加載壓力增大而增大，管柱所受正壓力的方向與管柱重力方向相反，管柱在正壓力作用下會慢慢上抬，若正壓力能克服管柱自重就能支撐起管柱［4］。該注水井為垂直井，因此不考慮長膠筒的支撐功能。

3） 錨定功能。

錨定功能是由接觸壓力產生的接觸摩擦力實現的，接觸摩擦力越大，越能更好實現錨定功能。接觸摩擦力公式為［4］：式中：Ff為接觸摩擦力，k N；p為接觸應力，mPa；f為摩擦因數；A為膠筒與套管間接觸面積，mm2， A＝2πR L；R為套管內半徑，mm；L為膠筒與套管接觸長度，mm。

根據上式可計算出膠筒與套管間的接觸摩擦力Ff＝215．23 k N。

軸向力可由下式計算出［5］：式中：pk為接觸應力，m Pa；σ1為沿元件橫截面的加權平均軸向應力，m Pa；G為抗剪彈性模量，G＝5．27mPa；A1為膠筒變形后的橫截面積，mm2；A0為膠筒變形前的橫截面積，mm2；η為縱向變形量，η＝A0／A1；ρ0為密封膠筒內半徑與外半徑的比值；F為軸向力，k N。

通過上式計算得出，σ1＝12．279m Pa，F＝89．276 k N。由于長膠筒比一般膠筒長，并且由于摩擦阻力的存在會降低軸向力的傳遞，因此要考慮取安全系數為2，即軸向力為178．552 k N。由此可知，摩擦力大于軸向力，長膠筒能夠實現錨定功能。

6 結論

1） 該分級解封長膠筒封隔器能夠較好實現逐級解封，解封力小，密封可靠，結構簡單。

2） 通過有限元分析，該分級解封長膠筒封隔器能夠實現良好的密封、錨定功能，能夠很好地解決小隔層分層注水封隔器偏離隔層的問題。

［1］ 徐國民，劉亞三，米忠慶．特高含水期精細分層注水需要解決的問題［J］．石油科技論壇，2010，29（4）：19-24．

［2］ 葛松．壓縮式封隔器密封膠筒有限元分析及改進［J］．石油礦場機械，2011，40（12）：92-95．

［3］ 劉永輝，付建紅，林元華，等．封隔器膠筒密封性能有限元分析［J］．石油礦場機械，2007，36（9）：38-41．

［4］ 劉清友，代娟，韓傳軍，等．長膠筒在水平井酸化管柱中的可行性分析［J］．石油機械，2008，36（6）：65-68．

［5］ 朱曉榮．封隔器設計基礎［m］．北京：中國石化出版社，2012．

Structure and Performance Analysis of Gradual Releasing Long Tubing Packer

FENG Yan，WU Kaisong
（School ofmechanical Engineering，South west PetroleumUniversity，Chengdu610500，China）

Astract：In the extra high water cut period，there are some releasing difficulties ofmultilevel packer in the process of the fine layering water injection，and layering water injection packer will appear jammed phenomenon in smallinterlayer，so a releasing graduallong tubing packer was developed，w hich can realize the function of grading unlock，small unlock force，sim ple structure andeasy to operate．Using the AQUS finite element analysis software，the long rubber tube was analyzed to ensure the long rubber tube sealing and the realization of the function of anchor．

layering water injection；packer；structure；F Em

T E931．203

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．017A

2014-10-23

馮 燕（1990-），女，河南南陽人，碩士研究生，主要從事井下設備方面技術研究，E-mail：xts1990＠qq．com。