高溫高壓測試封隔器膠筒的研制

毛軍

關(guān)鍵詞：高溫高壓；測試封隔器；膠筒；結(jié)構(gòu)；氟化橡膠；材料優(yōu)化

0 引言

我國油氣勘探開發(fā)逐步向四川盆地、塔里木盆地等深部復(fù)雜地層推進(jìn)［1］。其中新疆塔中北坡奧陶系主要以斷溶體油氣藏為主，油井地層壓力系數(shù)1.17，氣井地層壓力系數(shù)在1.49 以上，最大關(guān)井壓力102 MPa， 地層溫度近210 ℃， 鉆井液密度1.20～2.24 g/cm3［2］，這類高溫高壓油氣井測試屬于世界級難題［3］。目前高溫高壓油氣井測試封隔器包括有水力錨的機(jī)械式單向卡瓦封隔器［4］、永久式液壓封隔器［5］、化學(xué)切割回收封隔器。由于國內(nèi)高溫高壓封隔器尚不能滿足超深高溫高壓油氣井測試工作要求，通常引進(jìn)國外測試封隔器，如哈里伯頓公司的RTTS［6］和CHAMP 封隔器，其指標(biāo)達(dá)到204℃、105 MPa、V1 級，但現(xiàn)場應(yīng)用成功率尚不足80%，主要原因是封隔器膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用不合理，在高溫條件下易發(fā)生老化［7］，造成在高壓差下擠壞。超深井對封隔器膠筒橡膠的耐高溫、耐高壓和耐腐蝕能力提出了更高要求［8］。筆者針對高溫高壓油氣井測試問題，優(yōu)化了封隔器膠筒結(jié)構(gòu)，優(yōu)選了氟化橡膠（FKM） 材料，并依據(jù)井下工具測試標(biāo)準(zhǔn)API 11D1 對該高溫高壓測試封隔器膠筒進(jìn)行了室內(nèi)評價試驗，驗證了其性能指標(biāo)達(dá)到了204 ℃、105 MPa、V0 級，將其與現(xiàn)有測試封隔器裝配并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了該膠筒的可靠性。

1 高溫高壓測試封隔器膠筒設(shè)計

1.1 膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用三膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1 所示。中間膠筒起密封作用，2 個端膠筒采用金屬絲網(wǎng)硫化橡膠結(jié)構(gòu)，為中間膠筒提供肩部保護(hù)，起到承壓作用。箍簧主要用于增加端部膠筒的回縮力，保證膠筒有效可回收。金屬絲網(wǎng)在高溫膠筒中的主要作用是防止橡膠被擠出，并起到支撐作用。合理的絲網(wǎng)密度和形狀設(shè)計是實現(xiàn)該功能的關(guān)鍵［9］。依據(jù)理論分析和高溫高壓測試實驗評價結(jié)果，對封隔器膠筒進(jìn)行3 次結(jié)構(gòu)調(diào)整。第1 次采用標(biāo)準(zhǔn)的端部支撐結(jié)構(gòu)，即彈簧加金屬絲網(wǎng)；第2 次對中膠筒添加折疊槽，改變端部金屬絲網(wǎng)密度；第3 次對擴(kuò)大端部金屬絲網(wǎng)覆蓋面積。經(jīng)過第1 次結(jié)構(gòu)調(diào)整后的膠筒和第2 次結(jié)構(gòu)調(diào)整后的膠筒在高溫高壓測試后均出現(xiàn)端膠筒斷裂情況（圖2），說明這2 種膠筒在高溫高壓下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。經(jīng)過試驗，金屬絲網(wǎng)由最初的圓環(huán)型更改為“7”型，即在端膠筒上部與擠壓環(huán)接觸面也添加金屬絲網(wǎng)，解決了高溫擠出效應(yīng)。最終金屬絲網(wǎng)質(zhì)量為 87 克，占端膠筒體積的23%，金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

1.2 膠筒橡膠材料優(yōu)選

為確保封隔器膠筒具有可重復(fù)坐封及耐高溫、高壓及防酸腐功能，在已有氟化橡膠（FKM） 系列材料中優(yōu)選了膠筒材料。優(yōu)選了5 種方案，并通過實驗驗證膠筒耐溫和耐壓性能。方案1（FKM 1265/56）、方案2（FKM 1297/56）和方案3（FKM 1327/56）材料的端膠筒總是出現(xiàn)斷裂，方案4（HNBR 919/05）材料的中膠筒在實驗過程中出現(xiàn)破損，最終采用方案5（1620/86） 為端膠筒材料、FKM 1540/86 為中膠筒材料。并對方案5 膠筒進(jìn)行了204 ℃ 高溫拉伸試驗和激光應(yīng)變試驗，如表1 所示。

1.3 膠筒尺寸和參數(shù)計算

膠筒外表面與套管內(nèi)壁之間最大許用間隙 ［10］為

式中， 為彈性體許用相對軸向變形 ，可用試驗方法求得，其大小取決于材質(zhì)和工作條件， %； 為膠筒最大外半徑， mm ； 為膠筒最小內(nèi)半徑， mm ；為封隔器承受的工作（層間） 壓差， MPa ； 為套管內(nèi)半徑或井半徑， mm ； 為膠筒上徑向分布力強(qiáng)度， MPa ； 為橡膠許用剪切應(yīng)力， MPa ； 為橡膠泊松比； 為中心管與膠筒之間摩擦因數(shù)；A1 為膠筒變形后的橫截面積，mm2；G 為橡膠的抗剪切彈性模量，MPa； 為膠筒的縱向變形量，%。

在設(shè)計測試封隔器膠筒外徑時，考慮封隔器下入時不磨損膠筒的安全間隙為1～5 mm，其內(nèi)徑考慮0～4% 的預(yù)拉伸安裝余量，得到膠筒的主要技術(shù)參數(shù)：端膠筒外徑160.41 mm，端膠筒內(nèi)徑105.8 mm，端膠筒高度44.51 mm，中膠筒外徑160.58 mm，中膠筒內(nèi)徑105.87 mm，中膠筒高度69.36 mm，膠筒接觸角75°，最小坐封載荷150 kN，工作壓差105 MPa，工作溫度204 ℃。

2 膠筒有限元模擬分析

膠筒是封隔器實現(xiàn)密封性能的主要部件。膠筒屬于超彈性材料，它的機(jī)械性能對溫度、載荷和應(yīng)變率很敏感。應(yīng)變能函數(shù)可以用于表征超彈性材料的機(jī)械性能，可近似表示為

式中， 為應(yīng)變能函數(shù)； 為應(yīng)變張量第一不變量；為應(yīng)變張量第二不變量； 、、為材料常數(shù)；為材料不可壓縮參數(shù)；J 為變形前與變形后體積比。

封隔器膠筒結(jié)構(gòu)的有限元分析屬于非線性有限元范疇，其非線性突出地表現(xiàn)在材料非線性、幾何非線性和邊界非線性３個方面，用于計算密封的邊界條件復(fù)雜，必須包含接觸面的受力計算，其呈非線性關(guān)系。下面采用有限元分析軟件，在考慮大變形、非線性等條件下進(jìn)行建模分析。

根據(jù)高溫高壓測試封隔器膠筒的幾何形狀、材料和邊界條件，通過建立平面二維軸對稱模型進(jìn)行等效力學(xué)仿真。中間膠筒主要起密封作用，邊膠筒起肩保作用，中膠筒與邊膠筒均為超彈性材料。

膠筒載荷主要為壓縮坐封，坐封力為150 kN，為了更好地模擬坐封壓力，通過對壓環(huán)施加位移載荷，經(jīng)分析后提取坐封力來驗證坐封力及坐封后的密封情況。中心管和套管均為鋼質(zhì)管狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強(qiáng)，因此中心管內(nèi)側(cè)及套管外側(cè)施加位移量為0。膠筒與中心管及套管之間摩擦因數(shù)取0.25。中膠筒、端膠筒分別采用４節(jié)點CAX4RH 單元劃分網(wǎng)格，中心管、套管采用CAX4R 單元劃分網(wǎng)格，模型共劃分單元數(shù)23 432，如圖4 所示。

對膠筒施加載荷，通過有限元分析來驗證膠筒結(jié)構(gòu)是否合理、硬度是否達(dá)標(biāo)。圖5 給出了204 ℃條件下膠筒在初始狀態(tài)、坐卡、加 150 kN 載荷坐封、膠筒承下壓105 MPa、壓力穿透情況形變狀態(tài)下應(yīng)力。圖5 中紅線部分為中膠筒和下部端膠筒結(jié)合部分主應(yīng)力的主要集中區(qū)，最大應(yīng)力13.45 MPa，小于中膠筒和端膠筒材料抗拉強(qiáng)度，滿足膠筒強(qiáng)度的要求。

端膠筒采用鋼絲網(wǎng)硫化橡膠工藝，以加強(qiáng)支撐強(qiáng)度，起到肩部保護(hù)作用。為了解端膠筒應(yīng)力集中位置，在204 ℃、下部穩(wěn)壓105 MPa 壓差條件下，對上、下端膠筒進(jìn)行有限元分析。由圖6 可看出，隔環(huán)外端、膠筒位置、膠筒芯軸、膠筒鞋為高應(yīng)力區(qū)，最大值6.3 MPa，小于端膠筒抗拉強(qiáng)度，由于這些部位緊臨金屬，具有更高的強(qiáng)度，能夠滿足承壓要求。

3 膠筒高溫高壓密封性能試驗

為驗證高溫高壓測試封隔器膠筒在測試、酸壓和開關(guān)井期間的承壓效果，開展了封隔器膠筒性能評價室內(nèi)測試，試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖7 所示。用拉伸機(jī)坐封膠筒并鎖定，通過電磁加熱套加熱膠筒，對上端流體注入孔打壓，驗證膠筒上壓力，下端流體注入孔泄壓，驗證膠筒下壓力。通過兩個注入孔的打壓、卸壓來模擬膠筒承受壓差情況。

本次試驗依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)API 11D1［11］執(zhí)行，最大壓差105 MPa，2 次壓力反轉(zhuǎn)，溫度循環(huán)1 次。在204 ℃ 時，膠筒打下壓105 MPa，并維持15 min 以上，然后進(jìn)行壓力反轉(zhuǎn)，打上壓105 MPa，并維持15 min以上，再進(jìn)行反轉(zhuǎn)，打下壓105 MPa，維持15 min 以上，保下壓105 MPa，降溫至177.9 ℃，持續(xù)保壓2 h，再升溫至204 ℃。試驗按照API 11D1（V1） 級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，整個過程無泄露，檢測0 氣泡，達(dá)到V0 級。由表2 可以看出，試驗前后膠筒尺寸變化率在5% 以內(nèi)，膠筒性能保持較好。

4 組裝封隔器樣機(jī)及室內(nèi)試驗

4.1 試驗概況

將膠筒與現(xiàn)有測試封隔器裝配成試驗樣機(jī)，如圖8 所示。1#加壓孔坐封壓力用來模擬軸向坐封載荷，2#加壓孔壓力為膠筒上壓力，3#加壓孔壓力為膠筒下壓力。因試驗條件限制，需先把封隔器置入套管內(nèi)，通過拉伸機(jī)施加軸向坐封力，坐封封隔器。為保證坐封力，將鎖緊接頭鎖死，鎖緊接頭與加壓接頭距離為坐封距。整個試驗裝置放在加熱箱內(nèi)。

經(jīng)過6 d 測試，連續(xù)完成3 項試驗：（1） 204 ℃、105 MPa 溫壓性能試驗；（2） 保壓105 MPa，204 ℃ 降溫至150 ℃ 溫度循環(huán)性能評價試驗；（3） 保壓105MPa，105 ℃ 升溫204 ℃ 工具性能評價試驗。

4.2 試驗結(jié)果與分析

4.2.1 204 ℃、105 MPa 溫壓性能試驗

本次試驗在高溫204 ℃ 分階段打壓至105MPa，并進(jìn)行壓力反轉(zhuǎn)分階段打壓至105 MPa，在高溫高壓下保壓15 min。該套工具在壓力反轉(zhuǎn)打下壓力至90 MPa 時試驗裝置密封圈被擊穿，然后在高溫情況下對密封圈進(jìn)行置換，并重新加溫，穩(wěn)定后穩(wěn)壓15 min。試驗表明，工具在204 ℃ 情況下封隔器膠筒上下均承壓差105 MPa，如圖9 所示。

4.2.2 105 MPa、204 ℃ 降溫150 ℃性能評價試驗

試驗?zāi)z筒保下壓105 MPa 情況下進(jìn)行204 ℃降溫至150 ℃ 溫度循環(huán)試驗。降溫過程中壓力也隨之降低，打壓到105 MPa，在150 ℃ 時進(jìn)行壓力反轉(zhuǎn)，打膠筒上壓時發(fā)生泄露，穩(wěn)壓在70 MPa，又進(jìn)行反轉(zhuǎn)試驗， 下壓能夠承壓105 MPa， 上壓承壓70 MPa，如圖10 所示。

分析承上壓70 MPa 的原因：（1） 本次試驗采用的是舊膠筒，膠筒性能降低所致；（2） 該試驗裝置采用液壓轉(zhuǎn)換坐封力，螺紋固定坐封距。當(dāng)加下壓時，其給坐封液壓缸一個上頂力，因螺紋有一定的縫隙，減小其坐封力，導(dǎo)致坐封載荷略有減少，降低承壓指標(biāo)。

4.2.3 105 MPa、150 ℃ 升溫204 ℃性能評價試驗

在膠筒保下壓105 MPa 情況下，進(jìn)行150 ℃ 升溫至204 ℃ 循環(huán)試驗，在升溫過程中，壓力也隨之升高，保壓105 MPa，升溫到204 ℃ 時，進(jìn)行壓力反轉(zhuǎn)，打膠筒上壓時，穩(wěn)壓在105 MPa，穩(wěn)壓2 h。該試驗表明，工具在150 ℃ 升溫204 ℃ 情況下，封隔器膠筒下部和上部均承壓差105 MPa。

4.2.4 膠筒變化量分析

試驗前后膠筒變化量最大的是上膠筒外徑，增加2.4 mm，膠筒尺寸變化率全部在5% 以內(nèi)，試驗前后封隔器膠筒性能保持比較好，可滿足要求。

5 結(jié)論

（1） 膠筒外部折疊槽設(shè)計可以增加坐封狀態(tài)下膠筒的穩(wěn)定性，降低高壓差下封隔器膠筒的應(yīng)力薄弱點。

（2） 采用增強(qiáng)型三膠筒結(jié)構(gòu)和FKM 材料，增強(qiáng)了膠筒強(qiáng)度，有限元分析和室內(nèi)試驗結(jié)果均表明該高溫高壓測試封隔器膠筒能夠滿足204 ℃、105MPa 溫壓指標(biāo)。