海上油田隔離密封性能優化研究及應用

劉華偉，徐國雄，李孟超

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術公司 增產作業分公司，天津 300452)

海上油田隔離密封性能優化研究及應用

劉華偉，徐國雄，李孟超

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術公司 增產作業分公司，天津 300452)

針對海上油田生產井中出現的井下密封筒的磨損、劃傷及腐蝕導致插入密封容易失效的問題，設計了一種新型插入密封工具。介紹了該插入密封工具的結構與工作原理；通過膠筒受力分析來確定結構參數，并對主要零件進行了有限元分析。在海上油田應用壓力膨脹式插入密封，對其進行坐封及驗封。經理論分析和試驗證明：設計的壓力膨脹式插入密封工具滿足插入密封的技術指標要求，并能在有缺陷的密封筒里實現有效密封。

密封筒；插入密封；壓力膨脹；坐封；驗封；解封

在海上油田生產井中，隨著防砂管柱下入時間增長，以及頻繁的修井起下管串作業，井下密封筒會出現磨損、劃傷或者腐蝕問題。由于目前使用的常規插入密封模塊的膨脹量較小，在密封工作筒損傷腐蝕的部分油水井中，插入密封無法正常分層，層間出現不同程度的滲漏，嚴重時油水井分層開采、分層注入功能失效，形成了“籠統開采、籠統注水”的狀況。

通常，密封光筒在輕微腐蝕、磨損的情況下，插入密封就容易失效。對于密封筒損傷失效，海上油田還沒有很好的應對措施。因此，需研究一種在井下密封筒輕微腐蝕、磨損情況下，無需大修、更換防砂管柱，仍能夠起到密封分層效果的新型密封工具。

1 密封筒受損機理分析

對隔離密封總成的密封筒的腐蝕、磨損情況進行檢驗，并進行數據統計分析。以10 mm的長度進行分段，將有缺陷的3個密封筒進行No.1～10進行標定，統計點(線)蝕的數目，然后，再將每一段分成2個區，并計算出每一區的所有點蝕的總深度。如表1所示。

表1 密封筒點(線)蝕數據統計

從表1可以看出，密封筒的點(線)密封光筒在輕微腐蝕、磨損的情況下，插入密封就容易失效。其原因為：①密封筒變形；②密封筒內表面在軸向上有較大的劃痕；③密封筒內表面腐蝕嚴重。

插入密封的膠筒在井下高溫、高壓的環境中容易腐蝕、磨損，特別是密封塊，更容易受到井下變載荷工況的影響。

膠筒為一粘彈性體，兼有彈性和粘性2種特性。在固定應力下，表現出應變隨時間增加而增加的蠕變現象及應力隨時間增加而減小的應力松弛現象，所以膠筒經初壓縮后，在載荷作用下繼續變形——發生“肩部突出”，并朝插入密封鋼體和套管之間流動，導致接觸應力下降。在變形一定的情況下，還會發生一種初接觸應力隨時間而減小的現象(即應力松弛)。這種應力松弛分為物理應力松弛和化學應力松弛2個階段，它隨膠筒環境溫度的升高而加劇。對于圓柱形膠筒，應力松弛甚至可達5%，此時插入密封即告失效[1-4]。

由于橡膠材料的蠕變效應和松馳效應，造成橡筒過度膨脹，磨損，脫落，使密封失效，因此，新型的插入密封既要保證膠筒有足夠的彈性，又要保證適當的硬度，才能保證密封可靠。

因密封筒失效而采取更換封隔器并重新進行防砂的大修作業，單井作業成本在￥400萬元以上，成本較高，且重新防砂作業會造成油井減產或水井減注。

2 新型插入密封組成與工作原理

新型插入密封由活塞、橡膠圈、銷釘等組成，如圖1所示。

1—上接頭；2—限位釘；3—坐封剪釘；4—移動活塞；5—膠筒；6—支撐卡瓦；7—剪切環；8—密封模塊；9—下接頭。圖1 插入密封總成

2.1 坐封原理

1) 向中心管施加坐封壓力。

2) 液體從中心管內壁小孔進入中心管與移動活塞之間的環形空間。

3) 液壓逐漸增大達到坐封壓力，移動活塞切斷坐封剪釘、向下移動壓縮膠筒，壓縮膠筒受壓擴張，密封中心管與工作筒的環形空間。

4) 壓縮橡膠下壓支撐卡瓦；支撐卡瓦本體的6個卡爪內壁有棘齒，與移動環外壁的棘齒配合，在棘齒的作用下，卡爪向外移動，直到卡爪貼近工作筒內壁為止；同時由于受到工作筒內壁和棘齒的尺寸限制，支撐卡瓦不會向下移動。

5) 由于限位釘的作用，移動活塞移動至最大壓縮距時，不再移動。

6) 移動活塞本體的6個卡爪內壁有棘齒，與中心管上的棘齒配合，確保移動活塞單向滑動(只允許向下移動)。

2.2 解封原理

1) 上提中心管。

2) 拉力逐漸增大，達到解封壓力，壓縮橡膠推動支撐卡瓦與移動環，切斷解封剪釘。支撐卡瓦與移動環同時向下移動一個壓縮距，壓縮膠筒徑向收縮、恢復原狀。

3) 如果拉力小于解封壓力，解封剪釘不會被剪斷。當膨脹式插入密封被拔出工作筒后，支撐卡瓦的卡爪失去工作筒內壁的約束，向下移動一個壓縮距，壓縮膠筒徑向收縮、恢復原狀，同樣起到解封效果。

3 密封模塊的結構參數設計

3.1 膠筒的整體受力分析

處于工作狀態的膠筒軸向受力狀態如圖2所示。

圖2 膠筒受力分析

膠筒受力平衡方程為

(1)

式中：Fm為膠筒與套管間的摩擦力，N；Ft為膠筒的抗剪切力，N；Δp為膠筒承受的工作壓差，kPa；R2為膠筒外半徑，cm；R3為套管內半徑，cm。

Fm、Ft由式(2)～(3)求得：

Ft=2πH0R2T

(2)

Fm=2πfH0R3prw

(3)

式中：T為橡膠所受剪應力，kPa；f為膠筒與套管之間的靜摩擦因數；prw為膠筒與套管間的接觸應力，kPa；H0為膠筒工作狀態下的長度，cm。

將式(2)、(3)代入式(1)得：

(4)

壓縮式膠筒均為柱狀結構，主要結構參數為外徑、內徑和高度。假設膠筒壓縮前后體積不變，則：

(5)

整理可得：

(6)

式中：R1為膠筒內半徑，cm；H為膠筒自由高度，cm。

3.2 膠筒與套管間的接觸應力

對于各項參數已確定的膠筒，其能承受的壓差取決于接觸應力prw。

工作膠筒一般處于穩定變形階段，其接觸應力由2部分組成[4]。

prw=pr+pr1

(7)

式中：pr為膠筒受機械軸向力坐封產生的接觸應力，kPa；pr1為膠筒受液壓壓差作用產生的接觸應力，kPa。

(8)

(9)

式中：μ為膠筒的泊松比；F為膠筒坐封時承受的軸向力，N；E為膠筒的彈性模量，kPa；pz為膠筒承受壓差時高壓端壓力，kPa。

將式(8)、(9)代入式(7)得：

(10)

3.3 膠筒坐封力

膠筒的坐封力為[5]

(11)

將式(11)代入式(10)得：

(12)

膠筒的自由高度H是由參數Δp，pz，f，T，R1，R2，R3來確定。

H=f(Δp，pz，f，T，R1，R2，R3)

(13)

套管內半徑R3為確定值；膠筒外半徑R2可根據封隔器允許最大外徑確定；內半徑R1可根據中心管允許最小外徑確定；橡膠的允許應變[ε]應小于0.3，一般取0.25。膠筒的剪應力T，如果用膠筒允許剪應力[t]代替，則Δp為最大耐壓差值，[t]=橡膠抗張強度/4。膠筒的剪應力T取決于橡膠的抗張強度，與膠料的性能有關。82.55mm(3.25英寸)插入密封參數如表2所示。

表2 插入密封初始參數

計算可得：膠筒長度為28.7mm；坐封壓差為8MPa；壓縮距為6mm。

3.4 強度校核

膠筒在3個方向應力作用下工作，應用第四強度理論對其進行強度校核[6-9]。膠筒的合成應力為

(14)

代入數據計算得：

σr=4.2MPa≤5.8MPa(許用應力)

經校核，膠筒強度滿足要求。

3.5 有限元分析

對82.55mm(3.25英寸)插入密封移動活塞建立3維模型[10-15]，利用Solidworks軟件的Simulation有限元分析模塊對其進行應力和位移的分析，得到的應力云圖如圖3所示。

圖3 移動活塞的應力云圖

從圖3可以看出，在工作壓差21MPa、坐封壓差8MPa作用下，活塞的最大應力為528MPa，主要發生在活塞靠近膠筒的棘齒端，活塞其它部分的應力分布比較均勻。因此，活塞失效部位將發生在移動活塞移動時的第一個棘齒上，在移動活塞結構設計時，應該重點對這個部位進行優化設計，以延長其使用壽命。

4 現場應用與性能分析

以海上油田SZ36-1平臺的K30井為研究對象。壓力膨脹式插入密封在油井中與管柱的連接如圖4所示。

圖4 插入密封現場應用

連接各管線，啟動泥漿泵油管內正擠憋壓10MPa，坐封壓力，膨脹式定位密封，停泵放壓。倒流程，油套環空試壓15MPa，時間30min，壓力不降，合格。

恢復平臺注水，得到K30井應用新型插入密封前后的生產數據，如圖5所示。

圖5 K30井新型插入密封應用前后生產數據

從圖5可以看出，應用前，平臺套壓0.4MPa，日注水量為200m3/d，少于平臺所需配注量582m3/d；應用后，無套壓，注水量達到583m3/d，滿足配注量的要求。說明新型插入密封能在有缺陷的密封筒里實現有效密封，解決了井下密封筒失效而無法分層注水的問題。

5 結論

1) 設計的壓力活塞式插入密封工具結構新穎、功能多樣且具有主動密封功能。壓縮膠筒擴徑后在遇到上一級密封段時，壓縮力自動釋放，壓縮膠筒自動恢復原狀，不會擠壓破損。

2) 通過對膠筒的受力分析，得到膠筒高度的應力函數，以密封筒的相關尺寸、工作壓差及相關材料的強度為自變量，設計出膠筒的高度。依照第四強度理論，對設計的膠筒尺寸進行了強度校核。并運用有限元對壓縮活塞進行強度分析，結果表明，設計的結構滿足強度要求。

3) 對壓力膨脹式插入密封進行了坐封和驗封應用，表明工具性能可靠，在密封筒輕微腐蝕、磨損而普通插入密封無法實現密封時，在不更換密封筒的情況下，能夠起到密封分層效果。

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Design and Application of the Pressing Expansive Insert Sealing Tool

LIU Huawei，XU Guoxiong，LI Mengchao

(Energy Technology and Services Ltd.Drilling and Production Company，CNOOC，Tianjin 300452，China)

Aiming at the easy insertion sealing failure resulting from abrasion scratches，or corrosion of sealing barrel appeared in the borehole through offshore oilfields producing wells currently，a new type of insertion sealing tool is designed.The structural design and operating principle of insert sealing tool are introduced to determine the structural parameters by stress analysis for rubber tube，and do a finite element for the main parts.The pressing expansive insert seal is applied on the offshore oilfield，and do packer setting and sealing check.Theoretical analysis matches the experimental results，which prove that the new insertion sealing tool can meet the technical requirements of insertion sealing and is able to achieve effective sealing function in the defective sealing barrel.

sealing barrel；insertion sealing；pressure expansion；packer sealing；inspection sealing；deblocked sealing

1001-3482(2017)04-0056-05

2017-02-11

劉華偉(1985-)，男，工程師，主要從事油田穩油控水工藝、井下工具設計及研究工作，E-mail：liuhw23@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.014