擴張式封隔器性能測試裝置的設計*

□ 谷 磊

中國石化石油工程技術研究院 北京 100101

1 設計背景

擴張式封隔器坐封后,能夠對位于下部的環空進行密封。為提高密封性能和保護膠筒,在擴張式封隔器膠筒上端設計了護肩機構。護肩機構能夠在膠筒脹封時產生塑性變形,與井壁形成摩擦力,防止膠筒承壓后產生位移和擠出變形。常規入井試驗受井筒結構限制,只能進行上環空試壓,無法真實測試擴張式封隔器的工作狀態。并且對于上提解封擴張式封隔器而言,上環空試壓容易導致封隔器提前發生解封動作。擴張式封隔器需要在一定井眼范圍內坐封,如外徑為178 mm的擴張式封隔器,需要在內徑為241 mm的井筒內坐封,由于存在10%井眼擴大率,這一封隔器在內徑為265 mm的井筒內同樣需要能夠坐封。

由以上介紹可知,擴張式封隔器的性能與現場試驗都有較高的要求。對此,筆者設計了擴張式封隔器性能測試裝置,用于模擬實際井況,充分測試擴張式封隔器的性能[1-5]。

2 擴張式封隔器結構

擴張式封隔器結構如圖1所示。擴張式封隔器通過膠筒進液膨脹,實現環空密封。擴張式封隔器工作時,由中心管進液孔進液。中心管內憋壓超過啟動剪釘設定值后,剪斷啟動剪釘,單向閥向右運動,使液體進入膠筒,進而使膠筒膨脹。膨脹達到設定壓力值后,膠筒完全坐封。坐封后中心管內停止進液,并開始泄壓,單向閥在彈簧的作用下復位并密封,使膠筒內部保持壓力,從而保持坐封狀態。擴張式封隔器膠筒護肩機構采用延展性較好的金屬塑性材料,并設計為鋸齒結構。擴張式封隔器脹封過程中,護肩機構產生變形,并緊貼井壁,增大擴張式封隔器與井壁的摩擦力。護肩機構變形后開口朝向膠筒,防止膠筒受到下部環空高壓而發生破壞、擠出[6-7]。擴張式封隔器解封時,上提中心管,使膠筒腔體內的液體由泄壓孔與管外連通,進而使膠筒腔體內的高壓釋放,由此膠筒恢復到坐封前的狀態,擴張式封隔器實現解封[8]。擴張式封隔器的外徑為178 mm,需要在內徑為241～265 mm的井筒內實現坐封。

3 擴張式封隔器性能測試裝置結構

根據擴張式封隔器的結構及工作條件,設計了擴張式封隔器性能測試裝置,能夠模擬真實井況條件,實現對擴張式封隔器坐封和解封性能進行測試[9-10]。測試裝置由坐封封頭、解封封頭、套管、驗封封頭、堵頭等組成,如圖2所示。測試過程中,將擴張式封隔器放入套管中,擴張式封隔器兩端分別連接坐封封頭、堵頭,并形成密封。解封封頭和驗封封頭通過螺紋與套管兩端連接固定,同樣形成密封。通過坐封封頭進液,使膠筒進液加壓,實現對擴張式封隔器進行坐封測試。通過驗封封頭進液加壓,實現對擴張式封隔器進行驗封測試。通過解封封頭進液加壓,實現對擴張式封隔器進行解封測試。

4 坐封測試

擴張式封隔器組裝好后,放入內徑為241 mm的套管內,并連接各個封頭。坐封過程中,液體經過坐封封頭進入中心管,并通過加壓泵加壓。壓力達到設定值后,剪斷啟動剪釘,單向閥向右運動,液體進入膠筒內部,使膠筒發生膨脹。膠筒內部承壓達到15 MPa,并保持5 min,確保擴張式封隔器完全脹封,然后停泵泄壓。泄壓后,單向閥在后端彈簧的作用下復位,使膠筒內部繼續保持高壓,從而使膠筒保持坐封狀態。擴張式封隔器坐封狀態如圖3所示。

5 驗封測試

擴張式封隔器坐封后,膠筒膨脹,將套管分為上部環空與下部環空。驗封測試時,通過對下部環空進液加壓,驗證擴張式封隔器及其膠筒的密封壓力。擴張式封隔器驗封狀態如圖4所示。

液體由驗封封頭進入套管與擴張式封隔器之間的下部環空,如箭頭所示。液體充滿后,逐漸增大壓力,最終達到20 MPa,并保持15 min以上,擴張式封隔器成功實現坐封,密封壓力曲線如圖5所示。為了驗證擴張式封隔器在內徑265 mm井筒內的坐封性能,將內徑為241 mm的套管更換為內徑為265 mm的套管,并更換配套的解封封頭及驗封封頭,進行坐封及驗封測試。通過測試確認密封壓力仍可達到20 MPa,可見擴張式封隔器在內徑為241～265 mm的井筒內密封壓力均可達到20 MPa,超過設計指標(15 MPa)。

▲圖1 擴張式封隔器結構▲圖2 擴張式封隔器性能測試裝置結構▲圖3 擴張式封隔器坐封狀態▲圖4 擴張式封隔器驗封狀態

▲圖5 擴張式封隔器密封壓力曲線

6 解封測試

常規擴張式封隔器性能測試裝置不具備解封功能。在完成坐封后,需要通過拉伸試驗機使套管和中心管產生相對運動并超過解封剪釘設定值,進而使中心管泄壓孔與膠筒連通。膠筒高壓液體由泄壓孔排出，實現解封。筆者設計的擴張式封隔器性能測試裝置具備解封功能,通過對膠筒與中心管的上部環空進行加壓,即可實現膠筒與中心管產生相對運動,不再需要使用拉伸試驗機。擴張式封隔器解封狀態如圖6所示。液體通過解封封頭進入上部環空,如箭頭所示。液體充滿上部環空后,增大上部環空壓力。中心管兩端與套管固定,包括膠筒在內的中心管以外部件產生向下運動的推力,達到解封剪釘設定值時,使膠筒與中心管泄壓孔連通并泄壓,進而實現解封。擴張式封隔器解封測試現場如圖7所示。

▲圖7 擴張式封隔器解封測試現場

▲圖6 擴張式封隔器解封狀態

7 結束語

為滿足擴張式封隔器性能測試的需求,設計了能夠實現擴張式封隔器坐封和解封性能測試的擴張式封隔器性能測試裝置。應用這一性能測試裝置對外徑為178 mm的擴張式封隔器進行測試,確認該擴張式封隔器在內徑為241～265 mm的井筒內密封壓力均可達到20 MPa。與此同時,這一性能測試裝置具備解封功能,簡化了測試流程,提高了測試效率,具有推廣應用價值。