液壓壓脹式尾管頂部封隔器研制與試驗

，，， ，，

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化 石油工程技術研究院，北京 100101)

液壓壓脹式尾管頂部封隔器研制與試驗

邵志香1，2，馬蘭榮1，2，朱和明1，2，谷磊1，2，薛占峰1，2，廖洪千1，2

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化 石油工程技術研究院，北京 100101)

機械式尾管頂部封隔器在小尺寸井、淺井和水平井中進行壓裂作業時，由于機械下壓力不足，容易出現封隔器坐封困難的問題。研制了一種基于液壓坐封方式的封隔器，即液壓式尾管頂部封隔器。在封隔器坐封原理的基礎上設計了多級液缸串聯工作方式的坐封結構，解決了機械式封隔器坐封力不足的問題；同時設計了錨定結構，增大了封隔器坐封的可靠性。地面性能試驗表明，該封隔器可在25 MPa內壓力條件下實現坐封、30 MPa內壓力條件下完成坐掛功能，坐封后密封壓力達到70 MPa。該封隔器可實現對尾管重疊段環空的有效封隔。

封隔器；多級液缸；坐封；壓力

封隔器在井下工作的成效與性能的好壞主要取決于密封元件(膠筒)，而膠筒在井下的工作穩定性又與其材質、結構及操作等諸多因素有關[1]。壓縮式膠筒是目前應用最普遍的一種，它是通過施加軸向載荷使膠筒軸向壓縮、徑向膨脹，從而密封尾管與上層套管間的環形間隙。這種密封屬于接觸密封，其密封質量的好壞關鍵在于上層套管與膠筒間接觸應力的大小，即膠筒的承壓能力取決于膠筒與套管之間的接觸應力[2-6]。接觸應力跟膠筒的坐封程度有直接關聯。

現有機械方式坐封的尾管頂部封隔器，通過下壓送入工具上的坐封擋塊，需要的坐封載荷大，且只能通過頂部鉆具提供坐封壓力，具有較大的局限性。對于淺井和小規格井來說，頂部鉆具的質量有限，難以提供封隔器所需的坐封載荷；對于大斜度井況及水平井況，鉆具重力無法全部加載到封隔器上，也同樣難以提供足夠的坐封壓力，膠筒無法完全坐封，進而影響封隔器對環空的封隔效果。另外，分段壓裂作業也需要一款可液壓坐封、封隔壓力高、性能可靠的尾管頂部封隔器。文獻[7-9]基于有限元法對膠筒的封隔性能影響因素進行了仿真分析研究。文獻[10]對液壓封隔器進行了相關研究，通過地面試驗，其環空封隔壓力為20 MPa，難以滿足分段壓裂的作業需求。

本文針對上述問題，采用理論計算與試驗驗證相結合的方法，開展了液壓式尾管頂部封隔器關鍵技術研究。

1 封隔器結構原理及關鍵技術

1.1 結構組成

在對封隔器的工作原理和坐封機理研究的基礎上，設計了一種基于多級液缸驅動坐封的尾管頂部封隔器，主要由封隔器本體、液缸、活塞、鎖緊套，彈性卡瓦、卡瓦錐套、防退卡簧、隔離套、膠筒及剪釘等組成。如圖1所示。為了防止反向氣串，影響封隔效果，該封隔器設計了錨定結構。

圖1 封隔器總體結構

1.2 工作原理

工具入井到設計位置后，采用可提出式球座進行管內憋壓作業。其工作原理為：

1) 封隔器入井。封隔器連接在尾管懸掛器上方，一起入井。

2) 封隔器坐封。懸掛器完成坐掛動作后，利用可提出式球座，進行管內憋壓，壓力升至一定設計值時，多級液缸產生的液壓力將封隔器鎖緊套上的剪釘剪斷，并推動活塞、卡瓦、錐體和隔離套一起下行，擠壓膠筒，直至膠筒貼緊上層套管內壁，實現封隔器有效坐封，從而可以有效封堵尾管重疊段環空。

3) 封隔器坐掛。繼續憋壓至第二設計壓力值時，彈性卡瓦與錐套連接的剪釘剪斷，卡瓦沿錐套的斜面繼續下行，直到卡瓦牙咬緊上層套管內壁，實現封隔器錨定鎖緊在坐封位置，防止膠筒及封隔器發生軸向移動。

1.3 關鍵技術

1.3.1坐封驅動結構

如何在較小的管內壓力下，實現封隔器的有效坐封，是關鍵技術之一，需要考慮如何降低坐封壓力，提高坐封載荷。降低坐封壓力可以減少整個工具徑向承受的壓力、提高工具的安全可靠性和施工操作的安全性，既可滿足封隔器的坐封載荷需求，提高封隔的環空封隔能力，又可以降低工具和人員的安全風險。在對國外尾管頂部封隔器相關文獻調研的基礎上，設計了多級液缸串聯的液壓驅動坐封結構。

1.3.2封隔元件

封隔元件是封隔器的核心部件，其性能優劣直接影響封隔器的環空封隔效果。封隔元件一般采用橡膠類密封件，目前封隔元件主要有三膠筒結構，單膠筒結構及金屬膨脹式膠筒結構。

由于整體膠筒(單膠筒)可有效地降低封隔器入井過程中的抽汲作用，提高管串的下入速度和循環效率，幫助洗井過程中鉆屑的通過和提高水泥漿的頂替效率。因此，封隔結構采用整體膠筒結構設計。

1.3.3錨定鎖緊結構

鎖緊裝置作為封隔器的關鍵結構，在封隔器坐封后，具有防止密封元件松弛回彈及在長期承受環空高壓情況下仍有較強的鎖緊承載能力，可確保環空封隔密封的可靠性[11]。

2 結構設計及計算

2.1 多級液缸結構

為保證封隔器膠筒有效坐封，提供足夠的坐封力，設計了多級液缸串聯的液壓驅動坐封結構，主要由液缸、獨立活塞、固定活塞和支撐環等組成。多級液缸和活塞串聯于封隔器本體上。

兩級液缸連接原理如圖2所示。

圖2 兩級液缸連接示意

多級液缸坐封結構特點如下：

1) 兩級或兩級以上液缸坐封結構在同等管內壓力條件下，可以提供更高的推力，可為封隔器坐封提供足夠的坐封力，解決機械坐封方式中坐封力不足的問題。

2) 液缸之間通過獨立運動活塞連接，結構靈活，便于安裝。

3) 獨立密封環的設計，與常規液缸密封部分在液缸上的結構相比，可以節省原材料，從而節約成本。

2.1.1基本參數

上層套管：外徑?177.0 mm(7英寸)，壁厚10.36 mm及以上；內徑?157.1、?155.0、?152.5 mm。

材質：P110鋼級，最小屈服極限σs=758 MPa。

2.1.2液缸及級數確定

液缸產生的推力大小取決于管內壓力和有效承壓面積大小。液缸與封隔器本體組成的環形承壓面受力如圖3所示。

圖3 環形承壓面受力示意

液缸推力為

F=p×S

(1)

式中：F為液缸推力；p為管內壓力；S為環形承壓面面積。

在基礎設計數據一定的情況下，為保證封隔器101.6 mm通徑以及封隔器各部件的力學強度，封隔器液缸的設計間隙較小，尺寸排布存在一定難度。

經過計算，得出最優液缸內外徑參數和最優S值，確定了封隔器技術參數，并進行了強度校核，如表1所示。

表1 封隔器技術參數

根據膠筒的實際坐封載荷，按環形面積及剪釘剪斷壓力值，本封隔器采用兩級液缸即可。雙液缸雙活塞驅動結構，可產生雙倍的推力。當環形面面積S一定時，可計算出在不同的壓力條件下，液缸坐封結構提供的推力值。

確定液壓坐封結構中液缸的級數和內外徑參數后，需要計算液缸的行程。液缸的行程包含了膠筒的坐封行程和彈性卡瓦的坐掛行程。綜合考慮兩個行程及安全系數，液缸行程為140 mm。

2.2 剪釘壓力等級

采用兩級剪釘結構，一級剪釘為封隔器的坐封剪釘，置于鎖緊套內；二級剪釘為彈性卡瓦的坐掛剪釘，置于彈性卡瓦和錐套連接處。壓力等級的設計要考慮懸掛器的坐掛壓力，一般懸掛器的坐掛壓力約10 MPa，封隔器坐封壓力與懸掛器坐掛壓力之間必須有一個壓力差值。

考慮到安全因素，設計一級剪釘剪斷壓力約20 MPa。為保證封隔器膠筒充分脹封，二級剪釘與一級剪釘之間也應設置合理的壓力差，二級剪釘的剪斷壓力設為約30 MPa。

2.3 封隔結構設計

封隔器的封隔結構采用帶防突結構的整體膠筒(單膠筒)，膠筒兩端的防突結構可以保護膠筒貼在上層套管內壁。防突結構采用可擴張組合防突環，膠筒坐封過程中防突環膨脹，其外徑與套管內徑重合，將膠筒的膨脹變形范圍限定在一定區域內，保證膠筒向上層套管環空方向漲封，不會出現軸向竄動的情況，可有效地提高膠筒與套管之間的接觸應力，從而可獲得良好的封壓性能。為防止膠筒膨脹及封壓過程中失穩，在膠筒中間設有支撐環，支撐環為鋼件，膠筒與封隔器本體接觸兩端設計有圓形凸起結構，保證了膠筒脹封后不會因為膠筒中間的空腔影響封壓性能。

2.4 錨定鎖緊機構

常規封隔器坐封后，環空壓力較高時防退結構容易出現回退，導致封隔器封隔壓力下降，甚至失效。本封隔器采用雙面螺紋卡簧和防退卡瓦雙重鎖緊結構。其中，雙面螺紋卡簧用于膠筒單元的坐封鎖緊，防退卡瓦用于封隔器整體的防退鎖緊。

雙面螺紋卡簧的內外表面分別設計有不同螺距、不同大小的倒齒螺紋。其中，內表面螺紋與本體上的鋸齒螺紋鎖緊實現防退；外表面螺紋則是通過卡簧套施加到螺紋錐面的作用力產生對卡簧的徑向抱緊力，提高防退效果。這種結構的優點是坐封后回彈距離較小，且卡簧及本體受力均勻，防退承載能力更強[12]。

為提高封隔器的錨定鎖緊能力，防止封隔器坐封后封隔器整體產生軸向移動，加入防退卡瓦錨定結構。其中，防退卡瓦牙內側及支撐其爬行的錐套均采用1∶5的錐度設計，以利于彈性卡瓦爬行，進而貼緊上層套管內壁，實現坐掛。彈性卡瓦的爬行行程為75 mm，如圖4所示。

圖4 彈性防退卡瓦

3 地面性能試驗

為驗證該封隔器結構設計的合理性以及坐封及封隔等性能。在試驗裝置及?177.0 mm套管(內徑?157.1 mm)內進行了封隔器地面性能試驗。 組裝完成的封隔器樣機如圖5所示。在室溫下，封隔器膠筒的硬度為80～85 HS。

圖5 雙級液缸驅動尾管頂部封隔器樣機

3.1 膠筒封壓性能

通過對封隔器本體加壓，封隔器在25 MPa以內坐封，30 MPa以內坐掛。完成封隔器坐封后，對封隔器與上層套管之間的環空進行正向加壓，測試封隔器膠筒的封隔能力。

為驗證防退卡瓦的有效性，分別進行了2次坐封性能和封隔能力試驗。第1次坐封試驗時，控制管內壓力低于第二級剪釘的剪切壓力，保證僅坐封膠筒，未坐掛防退卡瓦。第2次坐封試驗時，完成封隔器膠筒坐封，彈性防退卡瓦完全坐掛。

1) 第1次環空驗封試驗(防退卡瓦未坐掛)：初步加壓30 MPa，穩壓15 min無壓降，無滲漏；之后繼續加壓至45 MPa，壓力不再繼續上升。

2) 第2次環空驗封試驗(防退卡瓦完全坐掛)：初步加壓30 MPa，穩壓15 min，無壓降，無滲漏；之后以10 MPa的壓力遞增，封隔器的最高封壓能力達到70 MPa。

封隔壓力曲線如圖6所示。

圖6 封隔壓力-時間曲線

通過對比2次試驗可知，第1次防退卡瓦未坐掛時，膠筒承受的最高壓力為45 MPa；第2次彈性防退卡瓦坐掛，膠筒承受的最高壓力為70 MPa，明顯高于第1次。因此，防退卡瓦發揮了防退作用，錨定結構的設計可以提高膠筒的封隔能力。

3.2 行程測量

將封隔器從套管中推出，測量液缸行程，驗證封隔器結構的合理性和驅動結構動作是否正常。液缸和鎖緊套之間是通過螺紋連接的，鎖緊套的行程即為液缸的行程。測量鎖緊套端面到內封頭端面的距離，約203 mm，試驗前該距離為69 mm。如圖7所示。

液缸行程為203-69=134 mm。液缸最大行程設計值為140 mm，實際行程在設計值范圍內，說明液缸行程設計合理。

經測量，彈性防退卡瓦的爬行距離為74.5 mm。最大坐掛行程設計值為75 mm，試驗前測量時，坐掛行程為74.5 mm。因此，實際卡瓦爬行距離與坐掛行程一致，彈性卡瓦實現完全坐掛，坐掛行程設計合理。

圖7 液缸行程測量示意

3.3 膠筒脹封

封隔器膠筒脹封如圖8所示。

圖8 封隔器膠筒脹封示意

由圖8可知，整體膠筒在多級液缸液壓力的作用下，由兩側向中間凸起，發生平穩均勻的變形，利于封隔套管環空。膠筒端部的防突環在液壓力的作用下，隨膠筒的擴張而張開，防突環未發生位移及破壞，對膠筒進行限位及保護。膠筒拆出后，發現膠筒完好，未見損傷。

4 結論

1) 通過對多級液缸驅動坐封尾管頂部封隔器的理論設計和試驗研究，驗證了多級液缸液壓坐封封隔器結構合理，實現了集多級液缸組合驅動結構、防退卡瓦和帶端部防突保護結構的整體膠筒于一體的封隔器技術，克服了機械坐封方式中坐封力不足的問題。

2) 多級液缸組合的液壓坐封驅動結構，為封隔器的坐封提供了足夠的坐封載荷，封隔器可在25 MPa壓力以內坐封，30 MPa壓力以內坐掛。

3) 帶有防退卡瓦和內鎖緊卡簧的雙重鎖緊結構，可以進一步提高封隔器的安全可靠性，封隔器的環空封隔能力達到了70 MPa。耐壓能力的增強可擴大封隔器的使用范圍。不論是淺井或小規格井的較低耐壓需求，還是深井、大斜度井及水平井的耐高壓需求都可以得到滿足。

4) 由于該封隔器靠液壓力壓脹坐封，其坐封不受限于尾管的質量和尾管的位置狀態，即使尾管傾斜也不影響封隔器的坐封。從而該封隔器可適用于淺井、小尺寸井及大斜度井等復雜井況的不固井作業，也可為水平井分段壓裂作業提供有效的環空高壓封隔。

[1] 馬蘭榮.尾管頂部封隔器密封元件的設計計算與有限元分析[J].石油鉆探技術，2005，33(6)：15-16.

[2] 馬蘭榮，郭朝輝，姜向東，等.新型封隔式尾管懸掛器的開發與應用[J].石油鉆探技術，2006，34 (5)：54-56.

[3] 馬金良，潘娟芳，王林，等.自封壓縮式封隔器的研制與應用[J].石油鉆探技術，2015，43(6)：120-124.

[4] 郭朝輝，楊德鍇，馬蘭榮.國外尾管頂部封隔器技術研究現狀[J].石油礦場機械，2011，40(7)：13-17.

[5] 張伯年，李海金.封隔器理論基礎與應用[M].北京：石油工業出版社，1983.

[6] 朱曉榮，吳雷澤，代理震.封隔器設計基礎[M].北京：中國石化出版社，2012.

[7] 劉林，陳和平，李永革，等.水平井分段壓裂封隔器研制與封隔性能分析[J].石油礦場機械.2012，41(5)：86-88.

[8] 張勁，李煒，張士誠，等.封隔器超彈性膠筒力學性能的試驗研究[J].機械工程學報，2011，47(8)：71-75.

[9] 韓國有，李楠，李強，等.基于有限元的封隔器密封性能影響因素分析[J].石油礦場機械，2012，41(6)：17-20.

[10] 高斌，李文波，董海生，等.Y341-100型液壓封隔器的研制[J].油氣井測試，2006，15(1)：58-59.

[11] 高勝，劉躍寶，常玉連，等. 卡瓦承載部件相關參數分析[J].石油礦場機械，2010，39(3)：28-32.

[12] 朱和明，吳晉霞，楊德鍇，等，封隔器鎖緊裝置關鍵技術分析[J].石油礦場機械，2013，42(3)：80-84.

DesignandExperimentalStudyonLinerTopPackerDrivenbyHydraulicCylinder

SHAO Zhixiang1，2，MA Lanrong1，2，ZHU Heming1，2，GU Lei1，2，XUE Zhanfeng1，2，LIAO Hongqian1，2

(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment，Beijing100101，China；2.ResearchInstituteofPetroleumEngineering，Sinopec，Beijing100101，China)

The mechanical packer usually can’t be completely set when using in fracturing operation in the small size well or shallow well and horizontal well due to the insufficient mechanical pressure.Therefore，this paper developed the liner top packer that driven by hydraulic pressure.According to research the mechanism of packer，the multi-stage cylinder setting mechanism has been designed to improving setting force，which can solve the insufficient mechanical pressure question of mechanical packer.Furthermore，in order to enhance the reliability of sealing packer，the anchoring mechanism was developed.The experiment data suggest that the packer can set completely under lower tube pressure，which less than 25 MPa，and anchor within 30 MPa pressure.After setting，the sealing pressure can up to 70 MPa.Thus，the annular space of the overlapping section of liner can be effectively sealed by the liner top packer.

packer；multi-stage cylinder；setting；pressure

1001-3482(2017)06-0063-05

2017-05-11

國家科技重大專項“高壓油氣水平井固井關鍵工具的研制與應用” 資助(2016ZX05021005-003)

邵志香，(1981-)，女，山東濱州人，工程師，博士研究生，現從事機械設計與井下工具研發方面的研究工作，E-mail：shaozx2011@163.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.013