擴張式封隔器性能分析及試驗研究

田宗正，谷 磊，尹慧博，程光明

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

1 引言

針對現場需求研制了用于封隔鉆具與井壁環空的封隔器，實現井底高壓隔離。封隔器采用水力擴張式結構，封隔器坐封后能夠對其以下位置的環空密封。由于該封隔器外徑120mm，需要在165.1mm 的井眼內坐封，考慮到井眼擴大率，封隔器擴張比超過40%，對封隔器性能提出了較高要求[1]。為提高密封性能和保護膠筒在封隔器膠筒上端設計了護肩機構，護肩能夠在封隔器膠筒脹封時發生塑性變形，與井壁形成摩擦力防止膠筒承壓后發生位移和擠出，對膠筒起到保護作用。由于常規入井試驗受井筒結構限制只能實現上環空試壓，無法真實測試封隔器工作狀態，并且對于上提解封式封隔器進行上環空試壓容易導致封隔器提前解封，為此對該封隔器試驗工藝進行了研究，在完成封隔器坐封狀態有限元計算和地面測試的基礎上，設計了入井試驗管串結構、開展了封隔器下環空承壓試驗，充分測試了封隔器環空密封性能[2-4]。

2 封隔器結構原理

封隔器結構，如圖1 所示。主要包括啟動剪釘、單向閥、膠筒、金屬骨架、解封剪釘、護肩等部件。坐封時中心管內部壓力達到設定值剪斷啟動剪釘，單向閥運動使液體通過進液孔進入膠筒內部使其擴張坐封，坐封后單向閥在彈簧作用下復位，使膠筒保持內部壓力從而保持坐封狀態；解封時利用封隔器坐封后與井壁產生的摩擦力，上提管柱剪斷解封剪釘，中心管與膠筒發生相對運動使膠筒內部高壓流體通過泄壓孔流出，膠筒收縮實現解封。封隔器護肩采用了延展性較好的金屬塑性材料并設計成鋸齒結構，封隔器脹封過程中護肩發生變形緊貼井壁，增大封隔器與井壁的摩擦力，護肩變形后開口朝向膠筒，防止膠筒受到下部環空高壓發生破壞，封隔器解封時上提管柱護肩收縮。封隔器膠筒采用內膠筒、金屬骨架、外膠筒結構滿足大擴張比要求，金屬骨架采用鋼帶結構并具有較好彈性，能夠支撐膠筒大變形[5-6]。

圖1 封隔器結構原理Fig.1 Packer Structure

3 封隔器性能分析

為優化封隔器結構，對封隔器坐封過程及坐封后的承壓性能進行了有限元分析。根據封隔器結構及材料建立模型，如圖2所示。計算分兩步完成，第一步計算了封隔器坐封過程，由于膠筒間的金屬骨架不會對膠筒變形起到約束作用，因此僅可計算膠筒的脹封過程；第二步進行驗封計算，基于第一步計算結果，利用封隔器坐封后變形的模型開展計算，封隔器膠筒中間部分增加金屬骨架，并繼續加載第一步的應力場及邊界載荷條件，這樣能夠利用封隔器坐封結束后的應力場狀態，在封隔器膠筒下環空施加向上的流體載荷[7-9]，驗封過程計算原理，如圖3 所示。

圖2 坐封計算模型Fig.2 Setting Model

圖3 驗封計算原理Fig.3 Model of Sealing Test

為對比封隔器達到現場坐封載荷條件下的承壓性能，分析了兩個驗封載荷下的計算結果。首先封隔器內部坐封壓力達到15MPa 后，對坐封后的封隔器下環空施加了20MPa 的壓力載荷，壓力載荷云圖，如圖4 所示。變形云圖，如圖5 所示。結果表明下環空承壓20MPa，封隔器未發生坐封失效。

圖4 驗封應力分布（20MPa）Fig.4 Stress Distribution（20MPa）

圖5 驗封變形分布（20MPa）Fig.5 Deformation Distribution（20MPa）

封隔器內部繼續保持坐封壓力15MPa 對坐封后的封隔器下環空施加23MPa 的壓力載荷，壓力載荷云圖，如圖6 所示。變形云圖，如圖7 所示。數據表明膠筒中鋼帶上端及下端已經失效發生較大變形，同時封隔器膠筒發生較大位移，對比圖4、圖6，圖6封隔器已明顯坐封失效，計算表明該封隔器15MPa 坐封壓力條件下，其密封性能小于23MPa。

圖6 驗封應力分布（23MPa）Fig.6 Stress Distribution（20MPa）

圖7 驗封變形分布（23MPa）Fig.7 Deformation Distribution（23MPa）

4 封隔器地面試驗研究

封隔器膠筒性能分析的基礎上進行了地面試驗，將封隔器組裝好，放入內徑168mm 的套管內進行測試，如圖8 所示。試驗過程先試壓坐封，隨后再驗封。試驗過程中通過坐封封頭給封隔器中心管打壓，最大壓力達到15MPa，即內、外膠筒及骨架結構承壓15MPa，管內打壓后由于封隔器單向閥的作用，封隔器保持坐封狀態，最后通過套管與封隔器之間的試壓封頭進行驗封測試，環空密封壓力達到20MPa。

圖8 封隔器性能地面測試Fig.8 Experimental Principle of Packer on Ground

5 入井試驗研究

性能計算分析和地面試驗結果表明，該封隔器能夠實現大擴張比環空密封要求，在此基礎上開展了入井試驗研究。為測試下部環空坐封效果，設計了試驗方案并完成坐封性能測試。

5.1 管串結構及試驗原理

封隔器測試原理，如圖9 所示。首先井筒內下入坐封套管（外徑193.7mm），套管固定在平臺下方的井口位置并與井筒密封；再下入封隔器管串，管串最下端連接浮鞋起到反向密封功能，封隔器與浮鞋之間連接鉆鋌（外徑120.65mm）作為配重，封隔器以上位置采用鉆具連接（外徑88.9mm），鉆具通過吊卡置于平臺上。試驗過程中泥漿泵與封隔器管串連接，管串內投入憋壓球在封隔器膠筒及以上位置建立密封條件，通過管內憋壓使封隔器在套管內坐封。坐封后在套管與井筒間的循環通道憋壓驗封，由于浮鞋具有反向承壓功能，管內流體壓力作用在封隔器下端，因此循環通道壓力就是封隔器的密封壓力，從而實現了封隔器密封性能的測試。

圖9 封隔器入井測試原理Fig.9 Experimental Principle of Packer in Well

坐封試驗套管結構，如圖10 所示。由帶孔防護座、套管（外徑193.7mm、通徑165mm）組成。防護座起到保護作用，防止坐封管串發生意外脫落，防護座開孔，進行環空試壓時可使流體通過并作用在封隔器上。套管在井口位置與井壁之間安裝溢閥形成驗封通道，流體通過溢閥進入井筒。

圖10 坐封套管結構Fig.10 Casing Structure

封隔器管串結構，如圖11 所示。由浮鞋、鉆鋌、封隔器、鉆具組成。浮鞋采用單向閥結構，能夠在環空驗封時起到反向憋壓作用。由于坐封后的封隔器在環空驗封時受到向上的作用力即上頂力，當上頂力大于封隔器管串的重量時整個管串將向上發生位移影響實驗并造成危險，因此需要計算上頂力及管串重量，并確保上頂力小于管串重量。

試驗過程中坐封套管管串下入深度980m，封隔器管串下入深度970m，其中鉆鋌長度150m、鉆具長度715m，封隔器在712m位置坐封。計算鉆鋌及鉆具總重量為284kN，由于封隔器在內徑120mm、外徑168mm 的環空坐封，計算單位壓力產生的上頂力為10.9kN/MPa，由于試壓不超過20MPa，計算20MPa 產生的上頂力為218kN，所以上頂力小于鉆具重量，封隔器坐封后能夠進行20MPa 以內的試壓。

圖11 封隔器管串結構Fig.11 Structure of Packer String

5.2 坐封及驗封試驗

試驗前首先驗證井筒是否存在漏失，試壓20MPa 壓力穩定20min 未發生下降，井筒達到試驗條件。隨后按照圖10 下入套管管串，再按照圖11 下入封隔器管串。封隔器下到坐封位置后，封隔器管串進行循環，循環排量控制在1m3/min 以內，液體從封隔器管串上端進入，從封隔器管串與套管管串的環空返出，液體返出后停泵，說明封隔器管竄及環空暢通。隨后進行封隔器坐封，在封隔器管串內投入憋壓球建立憋壓條件，約10min 后憋壓球到達封隔器膠筒下部的球座位置，開泵并且排量控制0.1m3/min 左右，隨后管內起壓，壓力達到7-8MPa 后封隔器單向閥剪斷剪釘，封隔器開始進液脹封，壓力逐漸增加，控制管串內壓力穩定在15MPa，并保持15min 確保封隔器完全坐封，結束打壓。進行驗封測試，通過套管與井筒間的驗封通道進行打壓，壓力逐漸升至5MPa、10MPa、15MPa，并在20MPa 保持20min，并且未發現壓降，結束驗封打壓。上提封隔器管串100kN 使封隔器解封，再次通過驗封通道進液，由于封隔器解封后收縮，套管與封隔器環空有液體返出，進一步驗證了封隔器坐封、解封功能。封隔器入井狀態，如圖12 所示。試驗完成后封隔器出井狀態，如圖13 所示。可以觀察到膠筒已發生過脹封，并且脹封后復位，護肩在膠筒坐封過程中發生了塑性變形，起到保護膠筒的功能。

圖12 封隔器入井狀態Fig.12 Packer in Well

圖13 封隔器入井狀態Fig.13 Packer out Well

6 結論

針對大擴張比封隔器現場性能試驗問題，采用有限元及地面試驗的方法，對封隔器坐封、驗封過程進行了計算分析和測試，并在此基礎上開展了性能測試工藝研究，通過下入套管管串、封隔器管串，利用井筒自身結構實現了封隔器下環空承壓測試。封隔器完成了實際工作狀態下坐封、解封功能的測試，得到了性能參數，封隔器環空密封壓力達到20MPa，實現了技術指標（15MPa）要求，滿足了現場需求。所開展的計算分析方法和入井試驗工藝，對優化封隔器結構和現場應用提供了參考。