套管氦氣密封檢測封隔器及工裝設計

鄭　璐，白曉捷

(大慶油田鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)①

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套管氦氣密封檢測封隔器及工裝設計

鄭璐，白曉捷

(大慶油田鉆探工程公司 鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163413)①

摘要：闡述了大慶油田氦氣密封檢測技術現狀及應用該技術的重要性，介紹了氦氣密封檢測封隔器的整體結構尺寸、各部件的設計、核心技術研發、核心部件的強度校核。經現場試驗驗證：氦氣密封檢測封隔器滿足大慶油田套管氣密性檢測的應用條件。

關鍵詞：密封檢測；封隔器；套管；氦氣

為保障入井油套管的密封性，國內各氣田和儲氣庫在完井油層套管和生產管柱中廣泛應用氣密封螺紋油套管，特別是在一些高壓氣井、H2S井、CO2井或是人口稠密地區井。入井的上百根套管中，任何一根套管因任何一個因素出現問題，最終都有可能產生泄漏。而螺紋密封性不合格是井口帶壓或漏氣的根源之一。氣密封檢測技術能在每根套管連接后進行檢測，有效剔除泄漏的油套管螺紋，及時對入井不密封螺紋的油套管做出預報及更換，避免因螺紋泄漏導致的經濟損失。

1970年，美國首先將氦氣檢漏技術應用于油套氣密封性檢驗。目前，國外能夠進行氣密封檢測的公司比較多，如Cameron Company、Shaffer Company等，這些公司使用氣密封檢測系統的時間都比較早，相對來說技術比較成熟。為最大限度降低特殊氣密封性螺紋泄漏而造成事故的潛在風險，對特殊螺紋的氣密封檢測在北美、墨西哥及南美的大部分油田已成為強制性檢測要求。

石油工業井控裝置質量監督檢驗中心從1994年開始調研，1998年正式向中國石油天然氣集團公司提出立項。目前，國內氣密封檢測設計及服務技術較成熟的是安東石油集團的氣密封檢測部，共有檢測設備9套，在塔里木油田、中石化西北局、中石油西南油田分公司、中石化西南分公司、吉林油田、大慶油田累計檢測100多井次，3萬多螺紋次，800個泄漏點，分布在29個井次，所檢井后期生產均正常。

1氦氣密封檢測封隔器

1.1簡介

氦氣密封檢測裝置由壓力源、管道和安全設施等組成[1]，如圖1所示。氣密封檢測技術是在井口連接套管接箍后，使用檢測設備對接箍進行密封泄漏檢測，確保入井氣密螺紋無泄漏的一項新技術。封隔器是完成檢測的關鍵設備，如果封隔器出現任何瑕疵都會導致檢測失敗。氣密封檢測采用的試壓介質為氦氣和氮氣的混合氣體，通常檢測過程中氦氣和氮氣的混合比例為 1∶7。 氦氣為探索氣體，由于氦氣分子直徑很小，僅比氫分子大，在氣密封螺紋中易滲透，對油套管無腐蝕，是無毒安全的惰性氣體[2]。

1.2組成及工作原理

封隔器是油田鉆采工藝中重要的井下工具之一[3]，檢測用雙向封隔器主要由上接頭、PCR、骨架、膠筒、滑套、上下活塞桿、旁通主體、限壓泄壓閥、工具引鞋等組成。

圖1　氦氣密封檢測裝置

1—工具引鞋；2—上接頭；3—錐環；4—PCR；5—骨架；6—O型圈；7—O型圈；8—上活塞桿；

技術原理：檢測氣體通過上活塞桿、旁通主體管道、下活塞桿，加壓推動活塞頭坐封膠筒，居中卡瓦卡死形成密閉環形空間，實現坐封。繼續加壓檢測氣體推動限壓閥使限壓閥打開，氣體通過旁通主體側孔進入密閉環形空間，開始檢測。測試完畢后，空間充滿氦氣，此時開始降壓，泄壓閥打開放氣。直至泄壓結束，同時坐封解除。

1.3實現可靠氣密封檢測的技術關鍵

1)可靠密封技術。封隔器膠筒是通過軸向壓縮力緊貼在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制約使用性能。膠筒與套管接觸所產生的接觸應力是膠筒承受工作壓差的必要條件[4]。

2)限壓坐封技術。檢測氣體通過膠管進入封隔器，由于限壓閥作用在未達到額定壓力時，處于關閉狀態，氣體推動活塞使膠筒壓縮，實現坐封，繼續加壓檢測氣體推動限壓閥使限壓閥打開，氣體通過側孔進入密閉環形空間。

3)泄壓解封技術。檢測結束后，通過外部設備給氣體泄壓，限壓閥打開時通過限壓閥放氣，壓力降到額定壓力后限壓閥關閉，此時降壓，在封隔器坐封形成的密閉空間和氣體通道之間形成壓差，并作用在泄壓閥兩端，當壓差達到一定時，泄壓閥打開放氣直到壓差為0時關閉。在氣體沒有泄壓到坐封完全解除之前，會周期性地在泄壓閥兩端產生壓差，所以泄壓閥做周期性的往復運動。

1.4技術參數

封隔器技術參數如表1。

表1　封隔器技術參數

1.5強度校核

1.5.1旁通主體承內壓強度校核

安全系數為

式中：n為安全系數；[σ]為許用應力，取980MPa；σ為實際承受應力，MPa；p為實際承受內壓，MPa；D為旁通主體內徑，mm；δ為旁通主體壁厚，mm。

1)注入端。p=105MPa，D=10mm，δ=4.5mm。

2)工作端。承受最大壓差p=20 MPa，D=70 mm，δ=10.5 mm。

3)特殊情況。內外承壓p=105 MPa，139.7 mm封隔器外徑D=113 mm，壁厚δ=14 mm。

同理114.3 mm封隔器n=2.15(D=91 mm，δ=10.5 mm)。

177.8 mm封隔器n=2.03(D=147 mm，δ=6 mm)。

安全系數大于2，強度滿足要求。

1.5.2旁通主體在極限壓力下Ansys應變分析

將IGE格式Solidworks的“旁通主體”三維模型導入ANSYS12軟件中，材質選用Solid Quad 4node 42，設置彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，兩端面定位，內表面整體承受內壓2.0×108Pa，網格選用5級智能劃分。旁通主體的校核如圖3～5。

圖3　旁通主體三維模型

圖4　200 MPa內壓載荷施加

圖5　應力應變圖

由圖5可見，旁通主體在極限內壓200 MPa下，處于彈性變形范圍，強度在安全范圍之內。

2裝卸工裝

設備關鍵部件PCR及骨架由于金屬與膠環的緊湊組合結構導致氣密封膠環無法安裝，而整體更換成本較高，因此設計了一套氣密封膠環專用拆卸工裝。拆卸時1人10 min即可輕易完成，提高了工作效率。研制的氣密封封隔器膠環安裝工裝，可直接在鉆井現場對骨架式氣密封膠環進行安裝。

封隔器膠環安裝工裝由初期壓蓋、主壓蓋、彈力環、導引錐、緊固螺桿、安裝座、底座及套管護絲組成，如圖6。

圖6　封隔器膠環安裝工裝

3試驗

3.1功能試驗

139.7 mm氦氣密封檢測封隔器完成裝配后，模擬現場使用條件對該總成進行了一系列功能性試驗，如表2。試驗結果表明，該封隔器各項功能達到了現場使用需求。

表2　功能試驗記錄

3.2現場試驗

2015-08-17，139.7 mm氦氣密封檢測封隔器在徐深6-平1井使用。無需更換即可與現有氣密封檢測設備配套使用，安裝操作工藝與原封隔器相同。

現場累計工作30 h，測試210根。現場試驗表明，該氦氣密封檢測封隔器強度及密封性滿足現場使用要求，如表3。

表3　現場試驗數據

4結論

1)油管螺紋氣密封檢測技術檢測壓力可達到70～140 MPa，滿足超高壓氣井生產的需要，同時其氦氣檢測靈敏度高，檢測快捷，具有很強的技術優勢[5]。

2)該氣密封封隔器解決了密封、限壓、分步泄壓等關鍵技術，試驗效果可靠。

3)現場試驗表明，該氦氣密封檢測封隔器強度及密封性滿足現場使用。

4)為解決在高壓下無法解封的隱患，可在封隔器本體內部設計1條放氣回路，進一步提高安全性。

參考文獻：

[1]張斌.采氣井口氣密封檢測研究[J].西南石油學院學報，2003，6(6)：72-74.

[2]林勇，薛偉，李治，等.氣密封檢測技術在儲氣庫注采井的應用[J].油氣田開發，2012，1(30)：56.

[3]張立新，沈澤俊，李益良，等.我國封隔器技術的發展與應用[J].石油機械，2007，35(8)：58-74.

[4]李曉芳，楊曉翔，王洪濤.封隔器膠筒接觸應力的有限元分析[J].潤滑與密封，2005，9(5)：90-92.

[5]劉嘯峰，陳實.氣密封檢測技術在高壓深井中的應用[J].內蒙古石油化工，2010，26(23)：23-82.

Casing Helium Gas Seal Test Packer and Tooling Design

ZHENG Lu，BAI Xiaojie

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany，Daqing163413，China)

Abstract：The helium seal detection technology in Daqing oilfield is expounded the importance of the application of the technology，the independent research and development of the core components of helium leak detection of packer's overall structure design，the design of the various components，key technology R & D，strength check，the field test results are summarized.The field test of helium leak detection application of detecting casing packer meet the tightness of the Daqing oil field conditions.

Keywords：tightness detection；packer；casing；helium

中圖分類號：TE931.2

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.011

作者簡介：鄭璐(1989-)，男，黑龍江大慶人，現從事欠平衡鉆井技術研究，E-mail：prayerpeace@163.com。

收稿日期：①2015-09-15

文章編號：1001-3482(2016)03-0051-04