環空防噴器膠筒密封性能影響因素研究

白云龍

（長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745100）

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環空防噴器膠筒密封性能影響因素研究

白云龍

（長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745100）

摘要：以井下環空防噴器膠筒為研究對象，利用柔性密封理論，通過膠筒工作時的受力分析，對影響井下環空防噴器膠筒密封性能的因素進行了分析，建立了井下環空防噴器柔性密封性能的數學模型。通過對不同過流面積下的環空流場進行模擬，得到膠筒表面的壓力和流速變化曲線，為分析現場膠筒坐封方法提供理論參考。

關鍵詞：井下環空防噴器；膠筒；柔性密封；密封性能

對于氣體和液體的密封，密封形式一般分為剛性密封和柔性密封。環空防噴器在井涌或井噴時阻止環空中的液體向井口方向流動，也是屬于密封。由于環空防噴器的密封件一般為橡膠制成的膠筒，因此該密封屬于柔性密封。對于井下環空防噴器，被密封面是套管井壁或裸眼井壁，在膠筒膨脹擠壓力的作用下，套管會發生輕微變形；而裸眼井壁是極不規則的，井壁上不牢靠的巖石等在膠筒壓力的作用下很容易脫落，使被密封面發生很大的變化。因此，對于井下環空防噴器的柔性密封，被密封面的結構尺寸范圍較大，對密封提出了更高的要求。

1 膠筒受力分析

本文針對壓縮式膠筒，主要分析壓縮式膠筒的受力情況。井下環空防噴器的膠筒受力一般分為未坐封、初坐封和完全坐封3個階段。

1.1 坐封前受力分析

在未發生井噴或井涌的情況下，防噴器固定在鉆桿上，隨鉆桿一起旋轉工作。此時的膠筒受力簡單，在坐封開始前，膠筒所受的力有：①膠筒外部流動的鉆井液對膠筒產生的壓力，此壓力由液柱高度產生的壓力和由鉆井液流過膠筒外表面產生的摩擦力2部分組成，在由液柱高度產生的壓力作用下使膠筒產生徑向壓縮，該壓力的大小由膠筒在鉆井液中的沉浸度和鉆井液的密度決定；②鉆柱與膠筒內壁之間的摩擦力；③隨鉆柱旋轉產生的離心力。

1.2 坐封過程受力分析

根據膠筒不同的受力情況，可將坐封過程分為初坐封和完全坐封2個階段。初坐封階段是指膠筒從受到坐封力開始至膠筒外壁與井壁開始接觸；完全坐封階段是指膠筒外壁與井壁開始接觸到完全密封環空中流動的液體。初坐封階段所受的力如圖1所示，主要包括：坐封力；鉆井液對膠筒的壓力和摩擦力；膠筒內壁與鉆柱之間的摩擦力。完全坐封階段所受的力如圖2所示，主要包括：坐封力；井壁對膠筒的壓力和摩擦力；膠筒內壁與鉆柱之間的摩擦力；膠筒上下所受液體的壓力。

圖1　初坐封階段受力

圖2　完全坐封階段受力

防噴器進行坐封時，井下已經發生了井噴或井涌，井下壓力升高，流過膠筒表面的流體流速和壓力均已提高，如果不考慮流體的流速和壓力對膠筒的影響，按正常鉆井工作狀態下的工況去分析膠筒在坐封過程中所受的力，就不能滿足實際坐封時所需要的力，從而達不到膠筒的密封性能。為了確保防噴器膠筒能夠正常工作，必須弄清楚影響膠筒坐封載荷的主要因素。

坐封過程中所受到的力除了坐封前所受力之外，還有將膠筒壓縮到與井壁接觸所需的軸向力，即坐封力。需要注意的是，由于在對膠筒進行壓縮的過程中，膠筒被壓縮變形，與井壁之間的長度逐漸減小，造成液體流過膠筒與井壁之間的流通面積逐漸減小，流速也隨之增加，從而作用在膠筒外表面的力也隨之變化；井噴時液體的壓力和流速很高，所以由流體流速和壓力的變化所產生的影響不應忽略。但此影響是一個變化的動態過程，且膠筒與液體相互影響，用一般的方法很難求出準確的解，因此坐封載荷便很難求出。

1.3 坐封完成后受力分析

坐封完成之后，膠筒下部與上部形成壓差，膠筒與井壁緊密接觸，受到井壁對膠筒徑向壓力。由于上下壓差的作用，膠筒有向上的運動趨勢，同時膠筒內表面與鉆柱緊密接觸，外表面與井壁緊密接觸，在徑向壓力和運動趨勢的共同作用下，膠筒會受到沿內外壁面向下的摩擦力。由于裸眼井壁的凹凸不平，膠筒的工作環境更加惡劣，從而膠筒的受力情況就變得更為復雜。

2 摩擦因數的影響

由于井下情況復雜，井壁上有泥餅、巖屑等，特別是裸眼井壁中，井壁凹凸不平，呈現不規則圓形，因此膠筒和井壁之間的摩擦因數很難確定，基于此情況，有必要分析摩擦因數與膠筒接觸應力的關系。

環空防噴器的功能主要依靠膠筒與井壁之間的摩擦力來實現，即摩擦力越大，防噴性能就越好。在相同坐封力的作用下，隨著摩擦因數的增加，產生的摩擦力也將隨之增大，但不是摩擦因數越大越好，過大的摩擦因數會增加坐封過程中膠筒與井壁之間的軸向摩擦力，增大膠筒的軸向變形，影響密封性能；而且過大的摩擦力也將加大膠筒與井壁之間的磨損，甚至在坐封過程中損毀膠筒，降低膠筒的使用性能。對于不同井底工況，在確保防噴性能可靠的前提下，應盡量減小摩擦因數。長期以來，國內外學者對膠筒的研究主要集中在普通橡膠和封隔器的摩擦機理上，對于井下環空防噴器膠筒摩擦因數的研究很少，而這正是研究膠筒密封性能的關鍵。

3 膠筒受剪切力分析

井下環空防噴器膠筒在工作階段承受壓差作用，膠筒工作性能的好壞直接關系到環空防噴器能否正常工作。膠筒在坐封以后，下表面在軸向力壓差△p作用下，膠筒與井壁之間除了受徑向力作用以外，還有剪切力，這時剪切力與軸向力壓差△p相平衡［1］。一般情況下將剪切力看做是在膠筒表面均勻分布，但這與實際應力狀態不符。

膠筒的軸向應力分布狀態對其他應力分布狀態有著較大影響。由分析可知：膠筒所受剪應力分布狀況受膠筒所受軸向應力分布的影響，當軸向應力按一次冪函數分布時，剪應力為定值，但這與膠筒所受的實際剪切力不符，不能準確地反應出膠筒所受的剪切應力；當把膠筒所受的軸向應力以二次冪函數的形式表述時，計算得出的膠筒所受的剪切力為線性分布，該方法可以較為準確底反映出膠筒所受剪切應力的分布。

4 水擊壓力對防噴器膠筒的影響

當發生井涌或者井噴時，外力使環空防噴器膠筒在短時間內變形充滿環空，使井涌或井噴時的液體不再向井口流動。在這個過程中，環空內部壓力和流速發生突變，在防噴器膠筒的下表面造成很大的水擊現象。水擊壓力的存在也對井下環空防噴器的坐封過程和密封性能產生很大的影響。根據井內井涌或井噴時的流量不同，產生的水擊壓力也不同，有時會有20MPa的水擊壓力，會增加膠筒所受的壓差和膠筒坐封的難度。由對水擊力的研究可知：延長膠筒坐封時間將減小水擊力，但會導致過多的地層流體侵入井眼，從而產生附加壓降，增大套管鞋處地層被壓裂損壞的危險，增加下一步壓井作業難度［2］。

當井下發生井涌或者井噴時，需要膠筒坐封關閉環空通道，在環空中流體的流速由溢流量來決定，其范圍較大，通常在零點幾米每秒到幾十米每秒之間。當遇到高壓地層時，流體的流速會變更大，通過文獻可知同流速下的水擊壓力的大小［3-4］。

水擊壓力隨環空流速的變化曲線如圖3，可以看出：隨著流體流速的增加，坐封后井內水擊壓力呈線性趨勢增加，說明水擊壓力對膠筒的沖擊較為嚴重；當流速比較小時，膠筒下表面產生的壓力只有幾兆帕，但當流速較大時，會有十幾兆帕的沖擊力。

圖3　水擊壓力隨環空流速變化曲線

5 膠筒環空流場模擬

為了研究在坐封過程中由于膠筒與環空中的流通面積逐漸減少帶來的流速增加和流體對膠筒壓力增加，通過對膠筒附近環空流場進行模擬研究，從而提出防噴器膠筒坐封時的控制方法，以降低沖擊載荷壓力對膠筒坐封的影響。

在坐封過程中，流體對防噴器膠筒所產生的壓力受到很多因素的影響，包括環空中流體流速、流體百分含量和膠筒與環空的不同流通面積等。對瞬時變化過程流速和流體壓力的計算，流場形狀的影響最大，不同過流面積的流場決定了其對膠筒邊界壓力的大小［3］。考慮到井涌或井噴時底層氣體侵入量的不同，若遇到異常地層高壓，就使得坐封時環空內流速可能有很大的變化，對流場的壓力也會產生很大的影響，從而影響到膠筒的坐封。

為此，通過對不同過流面積下的環空流場進行模擬，求出膠筒表面的壓力和流速變化曲線，為現場膠筒坐封方法提供理論參考。

5.1 建立環空防噴器流場模型

5.1.1 實體模型的建立

在環空防噴器坐封過程中，不同時刻防噴器膠筒與井壁間的流通面積也不相同，對流場模型進行合理簡化，建立膠筒離井壁距離為3～19mm不同流通面積下的三維流場實體模型來對流場進行模擬。其中，距井壁19mm情況下的流場模型如圖4所示。

圖4　流場模型

5.1.2 網格模型

本文采用IC E M C F D劃分網格，采用四面體單元進行三維流體數值計算。在網格劃分時為了提高網格質量和使計算快速收斂，分別細化了進、出口位置和膠筒位置的網格尺寸。

5.1.3 邊界條件

為研究不同過流面積下膠筒所受到的流場壓力和流速，初始邊界條件為：膠筒與井壁距離分別取3、6、9、12、15、19mm；進口液體速度5 m/s，出口壓力30MPa。

5.2 不同過流面積對流場壓力的影響

由于井涌或井噴過程中，膠筒坐封需要一定時間，關閉環空過程中膠筒處的壓力會不斷變化。因此，選取膠筒與井壁不同距離的情況進行定量分析，在此基礎上得出膠筒所受壓力變化規律。本文以3mm和19mm 2種情況下有限元模擬結果進行對比分析，如圖5～8所示。

圖5　膠筒與井壁距離3mm時環空速度云圖

圖6　膠筒與井壁距離19mm時環空速度云圖

由圖5～6可知：當膠筒與井壁距離為3mm時，膠筒處的過流面積急劇減小，流體流過時會在此區域形成1個高速流區，最高達65 m/s，比膠筒下部流體流速大很多；當膠筒與井壁距離為19mm時，由于流通面積相對較大，環空內流場形狀變化不大，整個流場區域除膠筒處分布較為均勾，膠筒處流速較大，高速流體充滿整個區域，整體速度較小。

圖7　膠筒與井壁距離3mm環空壓力云圖

圖8　膠筒與井壁距離19mm環空壓力云圖

由圖7～8可知：當膠筒側壁與井壁的距離為3mm時，由于膠筒與井壁過流面積的減小，高速流體在與膠筒的橫截面接觸時的速度會驟然降低為零，在膠筒下會形成一個高壓區，對膠筒下端產生一個很大的作用力，增加坐封的難度；當膠筒側壁與井壁的距離為19mm時，由于流體的上運動，其壓力自下而上呈現下降的趨勢，因此，進口端壓力最大，出口端的壓力為最小，井壁中的流體在沒有與膠筒接觸之前壓力已經減小，對膠筒產生的壓力也相對較小。

5.3 模擬結果分析

膠簡下表面壓力變化曲線如圖9所示，可以看出：隨著距離的減小，膠筒下表面處所受的壓力逐漸增大，并在接近關閉時刻時壓力有了顯著增加，說明防噴器坐封過程的最后階段所承受沖擊壓力較大。因此，環空防噴器應優先采用“先快后慢”的坐封方式，從而可以減小坐封的難度。

圖9　膠簡下表面壓力變化曲線

6 結論

1） 運用柔性密封機理對影響井下環空防噴器密封性能的因素進行了分析，為研究環空防噴器密封性能提供參考。

2） 對防噴器膠筒在工作過程中各階段進行了受力分析，并從理論上研究了摩擦因數、膠筒所受剪切力對膠筒的影響。

3） 分析了坐封過程中和坐封后流場壓力對坐封的影響，通過數值仿真的方法得出了密封過程流場壓力的變化，并根據其變化特點提出了“先快后慢”的坐封方法。

參考文獻：

［1］ 張系斌，王越支，夏宏南，等.壓差作用下封隔器膠筒與井壁間的剪應力分析［J］.石油機械，2000，28（6）：47-48.

［2］ 何世明，安文華，王書琪，等.高含硫鉆井軟關井水擊壓力的A DIN A模型［J］.天然氣工業，2008，28（10）：52-54.

［3］ 付玉坤.硬關井方式對井口裝置影響分析研究［D］.成都：西南石油大學，2011.

［4］ 李榮.溢流關井水擊及其控制研究［D］.成都：西南石油大學，2005.

Study on Influential Factors of Annular BOP Sealing Performance

B AI YUnlong
（No.2 Production Plɑnt，Chɑngqing Oilfield Compɑny，Qingyɑng 745100，Chinɑ）

Abstract：In this paper，based on the dow nhole annular rubber cylinders as an example，using a flexible sealing theory to analyze the forces at work in the plastic tube，based on the factors affecting the dow nhole annular BOP rubber cylinders sealing performance is analyzed to build the mathematical model for flexible sealing performance of downhole annular BOP. Under different flow area through the annular flow field simulations are pressure and velocity curves on the rubber，rubber barrel offer theory reference.

Key Words：dow nhole annular BOP；rubber sleeve；flexible sealing；sealing performance

作者簡介：白云龍（1982-），男，黑龍江海林人，工程師，主要從事油田設備管理工作。

收稿日期：2015-07-29

文章編號：1001-3482（2016）01-0024-04

中圖分類號：T E931.1

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.006