新型高壓生產滑套試驗研究與應用

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(1.中海油田服務股份有限公司,天津 300456； 2.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518067；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300456)

滑套是采油管柱中重要的井下工具，它可以將油套環空可控地連通起來，主要用于分層開采，完井后誘噴、循環壓井、下堵塞器關井試壓等作業[1-2]。生產過程中，滑套的開和關是通過鋼絲作業完成，其成功與否，取決于滑套彈性爪開關力的大小及組合密封性能的優劣，若開關力大于鋼絲額定載荷，有拉斷鋼絲造成井下落物的隱患。同時，由于滑套長期開關作業，也會引發滑套在井底泄露的問題[3]。據統計，在過去的2 a內，渤海油田有6口井出現因滑套無法打開和井底發生泄露而實施大修的情況。因此，對新型高壓生產滑套的研究具有重要意義。文獻[4]對海上完井滑套開關工具的彈性爪進行了有限元分析，試驗驗證了分析結果的合理性。文獻[5]分析了不同類型密封結構對深水生產滑套密封性能的影響，設計了試驗裝置，驗證了不同密封件的密封性能。然而，針對滑套的開關力及密封問題的研究，國內外所涉及的內容尚少。本文結合現場作業情況、綜合考慮開關力和密封性能，研制了一種新型高壓滑套，通過結構力學分析與室內試驗的方法對其進行研究，結果表明：新型高壓生產滑套既可滿足油田使用要求，又能避免現場出現的問題。

1 施工工藝及風險分析

滑套的開啟與關閉主要靠鋼絲攜帶開關工具實現，作業施工如圖1所示，其施工步驟：

1) 將鋼絲作業設備與井口連接。

2) 鋼絲連接開關工具串：鋼絲—振擊器—加重桿—開關工具等下入到預定位置。

3) 向上振擊打開滑套，直到開關工具從內滑套內脫手。

4) 回收鋼絲作業工具串，檢測開關工具是否應急脫手。

5) 若應急脫手，調整開關工具繼續實施1～4施工步驟，直到開關工具不觸發應急脫手機構而順利回收。

1—滑輪組；2—鋼絲；3—井口及防噴器；4—油管；5—上滑套；6—加重桿；7—振擊器 ；8—開關工具；9—下滑套；10—生產套管。

施工中出現的問題：

1) 鋼絲作業施工過程中，向上振擊開啟或向下振擊關閉滑套時，出現經多次振擊內滑套而無法打開或關閉滑套的情況，致使開關工具應急脫手。施工過程中由于開關力較大，有振斷鋼絲造成井下事故的隱患。

2) 滑套內部密封經多次往復磨損而無法承壓，導致泄露的隱患。

2 滑套結構及工作原理

針對滑套無法正常開關，及滑套密封在井下經多次往復磨損而失去密封性能的問題，研制了一種新型高壓生產滑套，開關工具與滑套配合結構及實物圖如圖2～3所示。開關工具通過彈性移位爪卡緊內滑套下部臺肩，通過振擊器向下振擊以實現帶有過流孔的內外滑套相互錯動，完成滑套的關閉、流體平衡、開啟3個功能。這3個功能分別對應3個不同鎖緊槽，在經過每個鎖緊槽時，內滑套彈性爪進入鎖緊槽內，以實現鎖緊內滑套防止竄動的作用。圖2為滑套處于開啟位置，內滑套與外滑套過流孔相通，建立流體通道，實現作業需求，內滑套彈性爪處于下接頭鎖緊槽3內。鋼絲作業中，上提鋼絲，促使開關工具移動內滑套，其軸向力須克服內滑套彈性爪進、出鎖緊槽時的軸向摩擦力及V型組合密封由過盈量產生的軸向摩擦力之和。當內滑套彈性爪及V型組合密封結構設計不合理時，會造成鋼絲載荷較大，工具應急脫手、振斷鋼絲及密封失效等諸多問題。

3 滑套開關受力分析

內滑套發生軸向位移才能使滑套開啟與關閉。在滑套的開關過程中，滑套某一開啟過程及局部受力如圖4所示，鋼絲所克服的最大軸向拉力即為最大開關力。

1—上接頭；2—組合密封；3—外滑套；4—內滑套；5—下接頭鎖緊槽1；6—下接頭；7—下接頭鎖緊槽2；8—振擊器連接頭；9—開關工具定位爪；10—下接頭鎖緊槽3；11—彈性移位爪；12—滑套擋塊；13—開關工具下接頭。

圖3 開關工具與滑套配合實物

1—上接頭；2—內滑套；3—外滑套；4—下接頭。

Nmax=F1+F2+F3

(1)

式中：Nmax為最大開關力；F1為內滑套與上下接頭及外滑套之間的軸向摩擦力；F2為兩組V型組合密封產生的軸向摩擦力；F3為內滑套彈性爪進、出槽所產生的軸向摩擦力。

內滑套在鎖緊槽內時：F3=0，此時,最小開關力為

Nmin=F1+F2

(2)

式中：Nmin為最小開關力。

內滑套不在槽內時，F3≠0，式(1)成立。

4 彈性爪有限元分析

4.1 建立有限元力學模型

由于彈性爪為軸對稱結構，約束和載荷具有軸對稱性，故取結構的1/4分析，單元采用具有塑性、大變形及大應變能力的Solid185單元進行分析[6]。材料選為42CrMo鋼，經調質處理，達到P110鋼級，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3，摩擦因數0.1，屈服強度855 MPa，拉伸強度920 MPa[7]。建立的彈性爪與下接頭之間的三維有限元力學模型如圖5所示。

4.2 結果分析

通過對彈性爪過槽收縮時的有限元分析，提取彈性爪Mises應力與軸向位移之間的變形云圖及最大應力與位移之間的關系如圖6所示。在彈性爪徑向收縮的過程中，隨著軸向位移的加大，彈性爪根部應力隨之越大，直到彈性爪最大外徑與下接頭內徑貼合，即彈性爪完全收縮時，根部應力達到827.4 MPa，其后應力趨于穩定。與材料屈服強度相比，滑套開關過程中，彈性爪仍處于彈性范圍內，材料尚未發生破壞。

圖5 彈性爪有限元模型

圖6 彈性爪過槽時最大Mises應力與軸向位移之間的關系

彈性爪過槽時摩擦力與軸向位移的關系如圖7所示，彈性爪在爬上斜面時，隨著軸向位移的增大，彈性爪徑向收縮，摩擦力逐漸增大，直到彈性爪收縮完成，摩擦力出現峰值1.05 kN，其后穩定在1.02 kN左右，可認為滑套在開關的過程中，由彈性爪引起的平均摩擦力F3=1.02 kN。

圖7 彈性爪過槽時摩擦力與軸向位移的關系

5 室內試驗

5.1 滑套開關性能試驗

將滑套置于拉拔機上，拉拔機液缸與開關工具下接頭相連，固定外滑套，進行開啟試驗，之后調換開關工具方向使其與內滑套上臺階配合，實施關閉試驗，往復拉拔22次，共11次開關過程。第1次滑套開關過程中軸向力與位移的關系如圖8所示。

對圖8分析可知：滑套開關時，其內滑套彈性爪相繼經過3個鎖緊槽，在這過程中，由于彈性爪的徑向收縮與復原，引起了拉拔力規律性的變化：彈性爪在鎖緊槽內部時，不產生軸向摩擦力，即F3=0，滑套的最小開關力Nmin平均為0.74 kN；彈性爪不在3個鎖緊槽內部時，拉拔力為滑套的最大開關力Nmax(平均為1.88 kN)。最大開關力與最小開關力之差即為滑套彈性爪徑向收縮產生的軸向平均摩擦力F3=1.14 kN。與上述有限元分析的結果1.02 kN相比，誤差在10.5%以內。為了得到多次開關后的開關力情況，統計滑套開關力數據如表1所示。

對表1分析可知：滑套經過11次的開關試驗，最大開關力Nmax呈現逐漸減小的趨勢，彈性爪引起的軸向摩擦力F3在第9次后保持不變，內滑套與各部件間的摩擦力和組合密封引起的摩擦力之和Nmin逐漸減小。其原因在于組合密封在經過多次往復摩擦后表面有少量的磨損，從而引起Nmin逐漸減小，使最大開關力Nmax由原來的1.88 kN減小到1.84 kN，之后趨于穩定，說明滑套具有多次往復開關的性能。

a 關閉過程

b 開啟過程

表1 滑套開關力統計 kN

5.2 滑套承壓性能試驗

為了得到開關過程中滑套的密封性能，分別在第1次、第9次、第11次拉拔試驗后，按照圖9結構將其連接，按照4階梯壓力進行試壓[8]，試壓結果如表2所示。

1—傳壓孔3；2—密封圈 ；3—上接頭；4—外筒；5—組合密封；6—外滑套；7—組合密封；8—內滑套；9—下接頭；10—傳壓孔2；11—下堵頭；12—密封圈；13—傳壓孔1；14—上堵頭。

表2 密封性能試驗數據 MPa

對表2進行分析可知：無論是單獨測試外壓還是測試內壓，經過4個階梯承壓試驗后，滑套都有較好的密封性能，內部能承受高達到45 MPa的壓力，外部能承受高達50 MPa的壓力，能夠滿足渤海各大油田的需求。

6 現場應用

在渤海區塊綏中油田的1口井下入3個滑套，井況如表3所示。

表3 井況數據

采用SS316材質、直徑為2.74 mm(0.108 in)，最小拉斷力為8.7 kN的鋼絲，攜帶開關工具進行作業，結果顯示：

1) 1號滑套開關力1.95 kN，2號滑套開關力2.01 kN，3號滑套開關力2.1 kN。開關力比地面試驗高出0.22～0.26 kN，符合鋼絲作業開關力小于最小拉斷強度40%的規范。

2) 3個滑套均能滿足41 MPa的內部施工壓力和34 MPa外部地層壓力，且作業過程中開關工具無應急脫手現象，現場應用效果較好。

7 結論

1) 新型高壓滑套采用彈性爪與組合密封相結合的設計，既能滿足開關力的要求，又能保證多次開關后的長久密封性能，克服了常規滑套不易打開、密封不嚴的難題。

2) 模擬及試驗結果表明：滑套的開關力主要來源于組合密封和彈性爪產生的摩擦力，其中彈性爪的摩擦力占主要因素，為進一步的優化滑套結構提供了依據。

3) 新型高壓滑套具備既能密封高壓，又能順利實現開關的特點，提高了作業效率，減少了作業隱患。該項技術具有推廣應用價值及廣闊的市場前景。