卡瓦懸掛器密封失效與改進研究

劉洋,練章華,何勇，杜鋒輝，匡生平

(1.長江大學機械工程學院，湖北荊州 434023；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都 610500；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000)

0 前言

塔里木油田氣藏主要集中在天山南坡山前條帶狀構造上，是世界上少有的超高壓氣藏富集區域，其儲層埋藏最深可達7 800 m，地層壓力高達150 MPa，井口關井壓力高達115 MPa，地層溫度最高可達180 ℃，井口溫度最高110 ℃，所產天然氣中CO平均體積分數為0.97%，且地層水中氯離子含量較高。山前氣井屬超高壓、超深氣井，且部分氣井為高溫、超高壓、超深氣井，井口安全條件苛刻，相繼出現了一些井口安全事件，造成了巨大的經濟損失。為了減少井口套管懸掛器密封失效事故，近年來，國內外專家學者對套管懸掛器金屬密封結構作了大量研究。曹傳文、于成水等針對石油鉆井工程中套管柱井口裝定載荷的設定和控制方法存在的缺陷，對套管柱受力情況進行了分析，認為在固井水泥漿候凝期間，井下套管柱所受外力存在不確定性，不能據此計算井口裝定載荷，相關的行業標準亦存在缺陷。油氣開發趨勢決定井深越來越深、壓力越來越高，對套管頭懸掛器結構強度提出了更高的要求，懸掛器系統結構直接影響套管頭作業安全。在下放套管過程中，一旦現場發生井壁坍塌等情況，而此時芯軸懸掛器又沒有坐掛到位，就需要將芯軸懸掛器立即更換為卡瓦懸掛器，這導致鉆井周期因等待時間而延長。因此需要研制新型的金屬密封懸掛器，減少失效風險和保證較高的鉆進效率。李振濤、肖力彤、申玉壯等研究了Cameron 公司的 MEC油管掛密封裝置，通過外載荷作用激發金屬密封件膨脹變形來實現接觸面間的密封,并完成了105 MPa芯軸式套管懸掛器主要零部件材料力學性能試驗，獲得了這些結構件材料的力學性能參數，這些研究結論可用于新型懸掛器密封結構材料選型的指導。秦浩智、魏凱、雒曉康等分析了典型的水下井口頭裝置主要采用金屬與橡膠結合方式來完成環空密封功能，研究還發現鉆井過程中井口裝置長期受到壓力波動影響，加速了壓力控制元件中橡膠密封結構老化失效的風險，不便于長期在水下進行作業。王永洪等介紹了金屬密封結構作為井口裝置重要應用，會保護井口裝置在高溫高壓、高腐蝕性的惡劣環境中的長期安全使用，因此加大對井口裝置金屬密封材料耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的研究力度。

目前，從國內外調研資料發現，對大直徑和重載荷套管、高強度套管，卡瓦懸掛套管密封性受套管外徑公差、橢圓度、卡瓦擠壓套管變形、打滑、卡瓦咬合處套管抗拉強度降低等諸多方面影響。因此本文作者開發一種新型芯軸式懸掛器，該懸掛器在井口安全方面具有顯著的優越性，可有效解決勘探開發生產后期中環空帶壓帶來的屏障風險問題，并能夠防止井口安全事故的發生。

1 卡瓦懸掛器密封結構失效案例

塔里木庫車山前超高壓氣井已發生30余井次BT(橡膠密封圈)或套管懸掛器卡瓦密封失效，給油田造成了巨大的經濟損失和安全隱患。套管坐掛后對密封部位試壓合格，完井時再次試壓作業，無法起壓，判斷套管懸掛器密封失效，螺釘出現不同程度松動，見圖1。為了更直觀分析，將卡瓦密封組件單獨取出進行分析(見圖2)，卡瓦密封組件主要含有內外密封圈和卡瓦牙結構。

圖1 卡瓦結構示意及橡膠失效照片

圖2 卡瓦式懸掛器三維實體及膠圈照片

卡瓦組件裝配完成后，坐放在井口四通臺階部位，卡瓦牙對套管進行懸掛固定，卡瓦牙對套管有周向和縱向作用力，套管在卡瓦牙作用力下，會產生卡瓦壓痕，現場咬痕見圖3。這將引起套管局部發生較大的變形和應力集中，最后必然影響套管的強度。

圖3 卡瓦懸掛器裝配圖及套管咬痕照片

2 卡瓦懸掛器密封結構力學行為研究

2.1 卡瓦懸掛器密封結構力學研究

根據圖2所示的卡瓦密封結構實際尺寸，建立幾何分析模型，包括卡瓦座、四通、卡瓦底座、內外橡膠圈。卡瓦式套管懸掛器實體結構如圖4所示，卡瓦材料為20CrMnTi，屈服強度835 MPa，抗拉強度1 080 MPa；卡瓦座材料為35CrMo，屈服強度835 MPa，抗拉強度980 MPa。這幾種材料的彈性模量為2.1×10MPa，泊松比為0.3。矩形橡膠密封圈采用Mooney-Rivilin橡膠本構模型。在分析中，載荷與邊界條件：在整個分析過程中，懸掛器四通和套管底部為全約束；在卡瓦座上端面施加(5～40)×10N壓力載荷，如圖4所示。

圖4 密封結構裝配及載荷與邊界條件

2.2 卡瓦密封結構計算結果分析

通過施加下部套管懸重載荷，分析卡瓦密封結構的應力和變形。在不同懸重載荷作用下的密封結構各零部件von Mises 應力分布見圖5。可以看出：在套管懸重為1～4 MN時，各零部件最大應力在299.9～889.7 MPa之間變化；隨著上部卡瓦座上的載荷增加，下部支撐環受到的應力變化不大，主要是套管內壁和卡瓦座與套管外壁接觸部位受到的應力增大比較明顯；隨著壓力增加，變形也逐漸增大，在套管懸重為2～4 MN時，橡膠密封圈發生較大的變形，接觸面也相應增大，最后貼緊在芯軸與四通密封面，有效完成密封。

圖5 不同壓力作用下的密封結構應力云圖

從圖6得到：在套管懸重為(5～40)×10N時，橡膠圈最大應力在0.15～14.84 MPa之間變化，橡膠圈上端面受壓位置應力較大，橡膠圈上部中心部位應力較小；當套管懸重為3 MN時，橡膠圈最大應力達到14.84 MPa；在套管懸重為4 MN時，橡膠圈整體被壓縮，橡膠圈上部已經發生較大變形。從圖7得到：在套管懸重為(5～40)×10N時，橡膠圈最大應力在0.14～14.75 MPa之間變化，橡膠圈上端面受壓位置應力較大，橡膠圈上部中心部位應力較小；當套管懸重為3 MN時，橡膠圈最大應力達到14.75 MPa；在套管懸重為4 MN時，橡膠圈整體被壓縮，橡膠圈上部已經發生較大變形。

圖6 不同壓力作用下的外橡膠圈應力云圖

圖7 不同壓力作用下的內橡膠圈應力云圖

根據接觸壓力分析結果，選取內外橡膠密封結構外表面接觸面上的路徑，見圖6—圖7；根據接觸壓力數據，編輯接觸路徑上節點接觸壓力變化曲線，見圖8、圖9。

從圖8、圖9得到：當上部施加載荷一定，套管懸重在(5～40)×10N之間變化時，內橡膠圈接觸壓力在50～200 MPa之間變化，外橡膠圈接觸壓力在120～240 MPa之間變化，平均接觸壓力基本達到最小密封比壓的要求；隨著載荷增加，接觸壓力也逐漸增大，曲線呈現波浪線變化，有些地方呈現鋸齒狀突變，會使橡膠產生較嚴重的變形。

圖8 內橡膠圈接觸壓力變化曲線

圖9 外橡膠圈接觸壓力變化曲線

3 金屬密封芯軸懸掛器設計及試驗研究

3.1 金屬密封芯軸懸掛器設計分析

通過對卡瓦懸掛器密封結構進行力學分析，分析了其失效原因。為了克服卡瓦懸掛器的缺點，提高鉆井周期，本文作者設計了一種8 1/8″型芯軸式懸掛器，其主要結構包括上、下部密封結構，見圖10。后續對該芯軸式懸掛器開展了壓力承載試驗和氣密封試驗，以期在懸重狀態下檢測140 MPa套管懸掛器的密封情況。

圖10 新型密封芯軸式懸掛器

3.2 金屬密封芯軸懸掛器實驗裝置及實驗數據分析

試驗引用標準包括：API Spec 6A 20版 井口裝置和采油樹設備，井口裝置和采油樹，GB/T 22514—2013 石油天然氣工業，鉆井和采油設備規范，API SPEC 5CT 套管和油管，NACE MRO175 油田設備用抗硫化物應力開裂的金屬材料，API SPEC 682 機械密封，ISO 9001 設計、制造、安裝和服務的質量體系，API SPEC QI 第9版。該測試實驗在四川科特工業井控裝置安全監督測評中心完成。密封性能測試裝置的試壓工裝主要有套管頭四通、套管懸掛器組件、壓機接頭、百分表、安裝232.5P型密封圈雙栽絲法蘭。44-70X36-70連接法蘭1件、232.5P型密封圈雙栽絲法蘭1件、金屬密封組件、壓機試壓裝置、懸掛器試樣零件組裝見圖11。

圖11 懸掛器組裝示意圖(a)及實驗現場安裝圖(b)

試壓過程中采用氣動試壓泵，試壓泵及壓力表量程0～160 MPa，試壓泵上的壓力表應至少具有量程0.5%的精度，測量壓力值應在壓力表量程25%～75%范圍內。壓力測量儀表應在有效鑒定期內。試壓泵連接線、接頭等附件應安全可靠，壓力進口位置見圖12所示。圖12中：為壓機下壓力，和分別為環空面積，為試壓壓力(為水壓)。表1為懸掛器試壓加載噸位相關數據。

表1 懸掛器密封試驗加載

圖12 試壓示意圖

通過對環空壓力換算，得到當環空壓力=112 MPa，轉化為芯軸上壓力：=2.160 7 MN，當環空壓力為=121 MPa，轉化為芯軸上壓力：=2.315 1 MN。

試壓完成后清理密封脂，檢查芯軸四通內外密封面， 橡膠密封件存在撕裂和損傷，并測量芯軸下端長度的變化，以及套管四通臺階面的高度變化，金屬密封組件的高度變化，見圖13，測量結果見表2。

圖13 試壓后各零部件尺寸測量

表2 試壓前后各零部件尺寸變化

改變試壓壓力，觀測壓力機操作平臺位移和百分表讀數變化。圖14所示為第一次和第二次試壓后百分表和操作臺的數據變化曲線。

圖14 試壓兩次后百分表和操作臺的數據變化曲線

通過計算得變形量：下行變形量0.42 mm，四通兩個臺階在120 MPa壓力作用下壓機下行了1.3 mm，當卸載后，壓機回彈0.9 mm，因此變形量為0.4 mm左右；金屬組件壓力作用前為115.7 mm，壓力作用后為112.64 mm，被壓縮了3.06 mm，金屬圈由62 mm變為61.76 mm，變化了0.24 mm左右。

3.3 金屬密封芯軸懸掛器現場應用

室內試驗完成后，將該型金屬密封芯軸式懸掛器在塔里木博孜某井進行了現場安裝，見圖15。測量了需要安裝的四通高度和內外徑以及轉換法蘭的尺寸，并檢查現場裝運的懸掛器及密封件，送入套管與芯軸式懸掛器直接連接的，坐掛后切割套管安裝套管頭四通(油管頭)的，送入套管應按規定扭矩緊扣。送入套管與芯軸式懸掛器之間有取送工具的，應按生產廠家的技術要求緊扣，保證送入工具能正常取出，最后完成了現場試壓。

圖15 金屬密封懸掛器現場安裝照片

4 結論

通過對卡瓦懸掛器密封結構進行力學分析，分析其失效原因。為了克服卡瓦懸掛器的缺點，提高鉆井周期，本文作者設計一種新型芯軸式懸掛器，并進行了壓力和承載實驗，得到以下幾點結論：

(1)卡瓦牙存在應力集中，卡瓦的斜壁面應力水平相對于應力集中區較低。套管在卡瓦作用力下，會產生卡瓦壓痕，引起套管局部發生較大的變形和應力集中，最后必然影響套管的強度。

(2)建立卡瓦懸掛器密封結構力學模型，分析內外橡膠結構的密封性能，分析表明當套管懸重為3～4 MN時，橡膠圈最大應力達到14.75～14.84 MPa，內外橡膠圈整體被壓縮，橡膠圈上部已經發生較大變形，表明卡瓦懸掛器中的橡膠結構不利于承載較大的載荷。

(3)經過試驗前后拆卸對比，懸掛器和四通的變形在安全范圍內。

(4)球形密封鋼圈受壓后產生變形為平面狀，密封寬度較大，表明密封性能良好。

(5)試壓過程中，隨著載荷的增加，試驗臺儀表和百分表的位移量變化較小，因此，試壓測試表明，該新型懸掛器可以承受140 MPa的高壓壓力作用。最后在現場得到應用，效果良好。