內(nèi)嵌式固井附件密封單元研制

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(中國(guó)石油集團(tuán) 渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300457)

內(nèi)嵌式固井附件密封單元研制

范永濤，周俊然，王益山，張耕培，楊曉勇

(中國(guó)石油集團(tuán) 渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300457)

使用特殊螺紋的套管逐漸增多，與之配套的固井附件需要加工相應(yīng)的套管螺紋，存在加工難、費(fèi)用高且質(zhì)量不易保證等缺點(diǎn)。內(nèi)嵌式固井附件可以解決上述問題，但國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴且使用過程中存在坐封不穩(wěn)、沿套管內(nèi)壁滑動(dòng)的問題；國(guó)內(nèi)研究仍處于探索階段，僅有幾項(xiàng)專利，沒見到進(jìn)行試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的報(bào)道。介紹了內(nèi)嵌式固井附件的工作原理，對(duì)其密封單元的卡瓦、密封圈等進(jìn)行了優(yōu)化；設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌式固井附件密封單元。室內(nèi)試驗(yàn)表明：該固井附件密封單元可以滿足固井附件錨定、密封套管的要求，為進(jìn)一步研制內(nèi)嵌式固井附件提供參考。

固井附件；密封單元；內(nèi)嵌式；結(jié)構(gòu)

固井是鉆井工程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，固井附件(浮箍、浮鞋、球座等)對(duì)鉆井工程的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益有直接的影響[1-3]。目前深井、超深井、儲(chǔ)氣庫(kù)井、海上油田等使用的套管含有越來(lái)越多的特殊螺紋，套管之間的連接密封性要求也越來(lái)越高，由于與之配套的固井附件需要加工相應(yīng)的套管螺紋，因加工難度較大，螺紋加工質(zhì)量也不易保證，增加了套管管串的失封風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決上述問題，研發(fā)了內(nèi)嵌式固井附件，包括內(nèi)嵌式球座、內(nèi)嵌式浮箍、內(nèi)嵌式浮鞋等，主要由密封單元和功能單元組成，直接安裝于套管內(nèi)部，不用加工帶有特殊螺紋的殼體，節(jié)省了加工螺紋的成本，且不需要固井附件的本體。內(nèi)嵌式附件可以直接安裝在套管內(nèi)，安放位置不受限制，使用方便；避免了附件短節(jié)螺紋與套管螺紋因加工廠家不同而導(dǎo)致的不匹配，進(jìn)而引起的管串失封問題，提高了安全性。

國(guó)外貝克休斯公司等，研制的內(nèi)嵌式固井附件[4](Baker Oil Tools part #H079721601)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。國(guó)內(nèi)冀東、新疆和海上等油田都曾引進(jìn)應(yīng)用國(guó)外產(chǎn)品[5-6]，但應(yīng)用過程中存在坐封不穩(wěn)、沿套管內(nèi)壁滑動(dòng)等問題。2008年，Jamie L.Imhoff申請(qǐng)了一項(xiàng)關(guān)于內(nèi)嵌密封單元的專利[7]，其結(jié)構(gòu)對(duì)貝克休斯公司的內(nèi)嵌密封單元進(jìn)行了改進(jìn)。

國(guó)內(nèi)方面，2012年長(zhǎng)城鉆探工程有限公司申請(qǐng)了一種內(nèi)嵌套管單流閥專利[8]，該裝置安裝在套管本體內(nèi)部，不用加工帶有特殊螺紋的殼體，不會(huì)侵占套管螺紋，保證了特殊螺紋的完整性，但卡瓦結(jié)構(gòu)不適合承受雙向密封。一種隨位浮箍(公開號(hào)：CN201851075)，是依靠液壓推動(dòng)一組卡瓦將套管附件固定在套管內(nèi)壁上，但需要配套的液壓泵，如果額定泵壓較高，則會(huì)增大液壓泵的體積等，出現(xiàn)攜帶、操作不便等問題；如果額定泵壓低，則會(huì)出現(xiàn)密封單元坐封不穩(wěn)等問題。一種油氣井用摩擦式內(nèi)置浮箍(公開號(hào)：CN201738874)，是依靠旋緊球籃螺紋將卡瓦撐開固定在套管內(nèi)壁上，然而該浮箍只能承受反向壓力，不能承受正向膠塞碰壓壓力，因此限制了其使用范圍。還有一種內(nèi)置式套管浮箍[9](公開號(hào)：202176310)，具有4組卡瓦，但卡瓦外圓面加工的矩形齒不利于密封單元的坐封。內(nèi)嵌式固井附件的研究國(guó)內(nèi)仍處于探索階段，僅申請(qǐng)了幾項(xiàng)專利，沒見到進(jìn)行試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的報(bào)道。

1 工作原理

內(nèi)嵌式固井附件包括內(nèi)嵌式球座、內(nèi)嵌式浮箍、內(nèi)嵌式浮鞋等，主要由密封單元和功能單元組成，直接安裝于套管內(nèi)部。密封單元包括包括錨定裝置和密封裝置，錨定裝置將內(nèi)嵌式固井附件錨定在套管內(nèi)一定位置；密封裝置將內(nèi)嵌式固井附件與套管之間的間隙進(jìn)行密封。功能單元是實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌式固井附件相應(yīng)功能的裝置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)嵌式密封單元主要由中心管、擋圈、卡瓦、錐形體、擋環(huán)、密封圈、隔環(huán)、壓環(huán)、鎖緊套等組成；該密封單元的脹封工具主要由鎖緊套銷、中心管銷、支架等組成。如圖1所示。

a 密封單元

b 脹封工具1—中心管；2—擋圈；3—卡瓦；4—錐形體；5—擋環(huán)；6—密封圈；7—隔環(huán)；8—壓環(huán)；9—鎖緊套；10—套管；11—鎖緊套銷；12—中心管銷；13—螺栓；14—支架；15—墊片及螺母。圖1 內(nèi)嵌式固井附件密封單元及脹封工具

中心管為管狀結(jié)構(gòu)，一端有內(nèi)螺紋，可以與套管附件連接；另一端開有缺口槽，可與脹封工具配合使用來(lái)控制中心管的軸向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)外螺紋與鎖緊套的內(nèi)螺紋配合。鎖緊套開有缺口槽，與脹封工具配合使用，可以旋轉(zhuǎn)鎖緊套，控制其軸向運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)壓環(huán)及推動(dòng)擋圈移動(dòng)。錐形體為錐形管狀結(jié)構(gòu)，其外錐面與卡瓦內(nèi)錐面配合，其內(nèi)孔套在中心管上。卡瓦為開口的錐形結(jié)構(gòu)，其外圓加工有防滑齒，內(nèi)部的圓錐面與錐形體的外錐面配合，軸向受力時(shí)與錐形體發(fā)生相對(duì)位移時(shí)可使卡瓦外徑增大。錐形體推動(dòng)擋環(huán)及密封圈的移動(dòng)，使密封圈外徑擴(kuò)大，密封圈為V型密封圈。鎖緊套銷為管狀結(jié)構(gòu)，一端開有缺口槽，可以與鎖緊套配合，另一端有正方形通孔，外圓面有一段正六面體結(jié)構(gòu)以利于管鉗夾持。中心管銷為管狀結(jié)構(gòu)，一段開有缺口槽且有掛鉤結(jié)構(gòu)，可以與中心管配合以控制中心管的軸向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。螺栓靠近螺母一端為正方形結(jié)構(gòu)，另一端為外螺紋，將鎖緊套銷與支架固定在一起，使鎖緊銷不能軸向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

檢驗(yàn)內(nèi)嵌式固井附件密封單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。以177.8 mm(7英寸)內(nèi)嵌式固井附件密封單元為研究對(duì)象，根據(jù)SY/T5618—2009，其性能指標(biāo)為正向承壓25 MPa，反向承壓30 MPa[10-11]。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及工具

1) 試驗(yàn)設(shè)備。電動(dòng)試驗(yàn)泵4DSY-15/80及其輔助設(shè)備、帶密封接頭的177.8 mm套管短節(jié)等。

2) 試驗(yàn)工具。天車、管鉗、鏈鉗、螺絲刀、銅棒、黃油、絲扣油、密封帶等。

3.3 安裝密封單元步驟

1) 確認(rèn)各零件符合設(shè)計(jì)加工要求。

2) 用柴油對(duì)各零件進(jìn)行清洗。

3) 將密封圈安裝在堵頭上，并將堵頭安裝在中心管上。

4) 依次將卡瓦、錐形體、密封圈堵頭、V型密封圈、壓環(huán)、V型密封圈、錐形體、卡瓦、鎖緊套安裝在中心管上，如圖2。

5) 用中心管銷將中心管固定，用扶正管將中心管與中心管銷中心線對(duì)齊，用鎖緊套銷旋轉(zhuǎn)鎖緊套進(jìn)行預(yù)緊。

6) 用天車將密封單元及其裝夾工具放入套管中。

7) 用密封單元的裝夾工具將其坐封固定。

8) 安裝套管防護(hù)接頭，準(zhǔn)備進(jìn)行密封單元的承壓試驗(yàn)。

圖2 密封單元與安裝工具配套

3.4 試驗(yàn)步驟

1) 調(diào)試試驗(yàn)裝置、配齊試驗(yàn)所需設(shè)備和工具等。

2) 檢查試驗(yàn)所用內(nèi)嵌式固井附件密封單元，確保符合安裝要求。

3) 將安裝有內(nèi)嵌式固井附件密封單元的7″套管短節(jié)固定在試驗(yàn)裝置上準(zhǔn)備試壓。

4) 開啟液壓泵，往套管一端內(nèi)部注入液壓介質(zhì)。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 內(nèi)嵌式固井附件密封單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2) 試驗(yàn)結(jié)束后，將套管剖開，其形貌如圖3。

a 卡瓦1接觸的套管內(nèi)壁

b 卡瓦2接觸的套管內(nèi)壁

試驗(yàn)時(shí)加壓過程是一個(gè)循序增壓的過程，試驗(yàn)最高壓力為40.50 MPa，穩(wěn)壓15 min后壓力降為40.03 MPa，屬于合理的變化范圍。試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)液壓介質(zhì)刺、漏的現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)密封單元在套管內(nèi)滑動(dòng)的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)嵌式密封單元可以正向承壓40 MPa；由于密封單元的卡瓦和密封圈是對(duì)稱分布的，認(rèn)為密封單元也可以反向承壓40 MPa，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過對(duì)試驗(yàn)后剖開套管的情況觀察發(fā)現(xiàn)，密封單元的卡瓦嵌入了套管內(nèi)，很好地起到了錨定的作用，密封單元的密封圈脹開，起到了密封的作用，說明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理、密封有效。

4 結(jié)論

1) 結(jié)合內(nèi)嵌式固井附件的工作原理，研制了一種內(nèi)嵌式固井附件密封單元及其安裝工藝。

2) 經(jīng)過室內(nèi)承壓試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌式固井附件密封單元滿足錨定、密封于套管內(nèi)壁的要求，為進(jìn)一步研制內(nèi)嵌式固井附件奠定了基礎(chǔ)。

3) 國(guó)外產(chǎn)品已在現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)研究有待于進(jìn)一步推進(jìn)。

[1] 吳柳根，滕照正，侯婷，等.國(guó)內(nèi)尾管固井完井技術(shù)現(xiàn)狀[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(10)：52-56.

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DevelopmentofASealingUnitofEmbeddedCementingAccessory

FAN Yongtao，ZHOU Junran，WANG Yishan，ZHANG Gengpei，YANG Xiaoyong

(EngineeringTechnologyResearchInstitute，BohaiDrillingEngineeringCompanyLimited，CNPC，Tianjin300457，China)

The quality of cementing has a direct impact on the quality and efficiency of drilling engineering.Currently special thread casings have got more and more used，and cementing its supporting accessories to be processed corresponding casing thread.There is a difficult process，costly and difficult to guarantee the quality and other shortcomings.Embedded cementing accessories can solve these problems，but foreign products are expensive and the course of practical application exists packer instability，slide along the inner wall of the casing.Domestic research is still in the exploratory stage.Only a few patents can be searched and the laboratory tests or field applications are not reported.The embedded cementing accessory sealing unit slips，seals and other optimized design of the embedded accessory cementing sealing unit.The laboratory test proves the sealing unit of embedded cementing accessory can meet the cementing anchor，sealing sleeve requirements.It is to the benefit of the embedded cementing accessory for further development.

cementing accessory；sealing unit；embedded；structural

1001-3482(2017)06-0081-04

2017-06-08

中國(guó)石油集團(tuán)公司重大工程技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目“華北深潛山優(yōu)快鉆完井與試油測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”(2014F-1802)

范永濤(1983-)，男，山東定陶人，工程師，博士，現(xiàn)從事鉆完井工程技術(shù)研究及工具研發(fā)。

TE925.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.017