可鉆封隔器設計及密封機構特性研究*

王立偉 管爭榮 曹嘉晨

(西安石油大學機械工程學院)

0 引 言

油田經過多年開采，普遍進入特高含水期，油層壓力不斷下降，非均質性嚴重，開發(fā)難度不斷加大，細分注水是解決此問題的主要手段[1-5]。分層注水工藝中使用的常規(guī)Y341注水封隔器膠筒耐壓、耐溫性不好，導致其坐封達不到預期效果，密封性下降；注水壓力高，導致封隔器有效期短，并且有時解封困難，不易起出，增加了大修概率，難以滿足多層系油藏分注需求[6-9]。

宋輝輝等[10]研制了液壓式大通徑丟手封隔器，該封隔器的丟手連接體和丟手連接套分開設計，降低了丟手壓力，增強了工具可靠性。秦世群等[11]研制了高壓分層注入封隔器，該封隔器采用雙活塞低壓力坐封機構和洗井閥控制銷釘，實現(xiàn)先坐封、后關閉洗井閥，提高了封隔器坐封的可靠性。郭飛等[12]利用有限元仿真軟件，通過膠筒結構參數(shù)、界面摩擦性能和材料特性等因素對其力學特性及密封性能影響規(guī)律的比較，提出了軟硬質材料多層堆疊及環(huán)端面金屬包器結構以實現(xiàn)性能優(yōu)化。張付英等[13]對不同類型的膠筒在約束變形階段的穩(wěn)定性進行分析，提出通過仿真數(shù)據(jù)判斷膠筒穩(wěn)定性的方法，對比3種不同類型膠筒的穩(wěn)定變形過程。潘波等[14]利用ABAQUS軟件建立封隔器密封機構仿真模型，開展了防突機構硫化位置及內徑大小對封隔器膠筒肩部突出、接觸應力、von Mises應力的影響規(guī)律研究。陳偉等[15]利用ABAQUS軟件建立3膠筒結構的有限元模型，模擬膠筒在井下坐封的非線性接觸行為，分析了坐封載荷、膠筒長度、硬度組合和加載方式等4個因素對3膠筒結構密封性的影響。

為了解決封隔器密封性能差、解封困難、使用有效期短等問題，提高分層注水工藝成功率，筆者研制了可鉆封隔器并進行仿真分析；同時開展了室內和現(xiàn)場試驗，以驗證此封隔器的密封性能。所得結論可為封隔器的現(xiàn)場應用及結構優(yōu)化提供參考。

1 可鉆封隔器設計

1.1 結構

可鉆封隔器是在常規(guī)Y341封隔器的基礎上進行改進設計，具體如下：①常規(guī)Y341封隔器內徑一般為50 mm，此封隔器的內徑達到62 mm；②優(yōu)化封隔器結構，外筒采用全部可鉆材料設計，中心管采用42CrMo材質并進行鎳磷鍍防腐處理，其他部分采用非金屬可鉆復合材料；③篩選耐高溫高壓膠筒，盡可能縮小膠筒厚度；④采用雙活塞低壓坐封以減小坐封壓差，增強坐封可靠性。圖1為可鉆封隔器的結構示意圖。

1—上接頭；2—保護座；3—解封銷釘；4—平衡活塞；5—上中心管；6、9、10—密封圈；7—活塞擋環(huán)；8—反洗閥；11—反洗閥套；12—洗井閥膠墊；13—反洗座；14—膠筒外管；15—長膠筒；16—上隔環(huán)；17—短膠筒；18—下隔環(huán)；19—銅護腕；20—調節(jié)環(huán)；21—鎖爪；22—鎖套；23—釋放套；24—鎖套后環(huán)；25—塑料擋圈；26—上缸套；27—下中心管；28—連接頭；29—坐封活塞；30—下缸套；31—下接頭；32—防阻銷釘；33—銷釘座。圖1 可鉆封隔器結構示意圖Fig.1 Schematic structure of the drillable packer

1.2 工作原理

1.2.1 坐封原理

可鉆封隔器下放到指定位置后，對中心管施加一定的壓力載荷，液體流入活塞室，推動坐封活塞上移，壓力繼續(xù)增大，剪斷坐封銷釘，鎖套上行壓縮膠筒，鎖環(huán)與鎖套相互嚙合鎖緊，使得膠筒無法回收，實現(xiàn)油套環(huán)空密封，完成坐封。

1.2.2 解封原理

解封方式1：與常規(guī)Y341封隔器解封原理相同，上提管柱，施加上提力40～60 kN ，剪斷封隔器解封銷釘，鎖環(huán)失去限位，中心管上移，在膠筒回彈力的作用下，鎖環(huán)和鎖套一起下行解卡，完成解封。

解封方式2：當上提管柱無法解封(安全接頭不能正常丟手)時，正轉注水管柱，使第一級安全接頭脫開，起出第一級安全接頭以上管柱；下入油管+螺桿管柱+套筒式磨鞋，加壓正轉管柱，轉速30～40 r/min，套筒式磨鞋鉆進300～600 mm，磨銑掉可鉆材質的膠筒擋環(huán)，膠筒復位，進而完成解封。

1.3 洗井原理

當需要洗井時，可進行反循環(huán)洗井，當套壓大于油壓時，洗井通道開啟，洗井液經內外中心管環(huán)空推動上活塞下行，通過上活塞和鎖套之間的間隙進入密封膠筒以下的油套環(huán)空空間，經底部閥從油管返出地面，達到洗井目的。

1.4 主要技術參數(shù)

適用套管內徑121～127 mm，最大外徑114 mm，中心通徑62 mm，工作溫度120 ℃，工作壓力25 MPa，坐封壓力6～11 MPa，反洗壓差2 MPa，抗拉力350 kN，解封力50 kN。

1.5 結構特點

(1)中心通徑增加到62 mm，可實現(xiàn)低壓坐封、高壓注水，注水效果明顯。

(2)可反洗井，反洗井排量大，并且不結垢、耐酸堿，使用壽命長，安全系數(shù)高。

(3)零件由可鉆復合材料制成，外層可快速鉆除，可上提解封打撈，也可套銑鉆塞打撈，減少了大修概率。

(4)采用高溫高壓膠筒，在高溫高壓環(huán)境中性能穩(wěn)定，密封效果好，用途廣泛。

1.6 可鉆材料優(yōu)選

1.6.1 金屬可鉆材料

在20世紀80年代以前，封隔器使用的可鉆材料大部分是金屬材料，普遍采用鑄鐵、黃銅和鋁。由金屬可鉆材料生產的封隔器可采用普通鉆頭和銑刀進行鉆銑，但是在應用中經常出現(xiàn)“鉆頭軌跡”現(xiàn)象，鉆頭在鉆封隔器的可鉆部件時，鉆頭總是處在某一軌跡上磨來磨去，不再吃進。解決這種現(xiàn)象的做法通常是上提鉆頭，使其離開被鉆面，然后快速接觸封隔器，同時施加鉆壓，以便破壞原有的鉆頭軌跡，使其重新建立鉆頭進尺。不過上述方法有時并不有效，而且鉆銑時間較長，成本較高。

1.6.2 非金屬可鉆材料

大部分情況下沒有必要使用金屬可鉆材料，不采用金屬材料還可以避免鉆銑時經常出現(xiàn)的“鉆頭軌跡”現(xiàn)象。非金屬可鉆材料具有耐蝕性、強度高、易鉆銑、質量輕、成本低等優(yōu)點，大大延長了封隔器的使用壽命。非金屬可鉆材料主要包括合成樹脂和玻璃纖維。一種合成樹脂材料是酚醛樹脂，酚醛樹脂價格便宜，耐高溫，化學穩(wěn)定性較好，耐酸性強。玻璃纖維強度高、綜合性能好、價格便宜。在20世紀60年代初期，玻璃纖維復合材料成為火箭發(fā)動機殼體、雷達天線罩和火箭上的承力構件。以不飽和聚酯為基體、玻璃纖維增強的復合材料工業(yè)遍及世界各地。

1.6.3 可鉆材料選取

通過對金屬可鉆材料和非金屬可鉆材料的研究對比，決定采用非金屬可鉆材料中的玻璃纖維。對國內生產的玻璃纖維進行優(yōu)選，確定高強玻璃纖維(S-glass)，由純Mg、Al、Si 3種元素組成。其在高溫下仍具有良好的強度和疲勞性能，拉伸強度甚至高于金屬材料；高強玻璃纖維具有彈性，伸長率為3%，彈性模量在100 GPa左右；對多數(shù)的化學藥品和有機溶劑均有良好的化學穩(wěn)定性，耐腐蝕性好。采用高強玻璃纖維后加工出來的封隔器在力學性能、熱處理性能、耐腐蝕性及加工性能等方面都能滿足封隔器使用要求。

2 密封結構仿真分析

2.1 數(shù)值模型建立

2.1.1 幾何模型

密封機構主要由套管、中心管、膠筒、隔環(huán)及調節(jié)環(huán)等組成，在坐封過程中，膠筒壓縮臌脹與套管內壁產生接觸應力，從而實現(xiàn)密封。圖2為密封機構幾何模型圖。

圖2 密封機構幾何模型Fig.2 Geometric model of the sealing mechanism

2.1.2 材料參數(shù)

膠筒與其他零件材質不同，導致與套管的摩擦因數(shù)有區(qū)別，而且膠筒在壓縮變形后與套管的摩擦因數(shù)也會發(fā)生改變，因而確定膠筒與套管、膠筒與隔環(huán)、中心管與隔環(huán)的摩擦因數(shù)十分困難。根據(jù)經驗，在此次模擬中套管內壁與膠筒間摩擦因數(shù)取0.3；膠筒與中心管之間的接觸摩擦因數(shù)取0.1；中心管與隔環(huán)、膠筒與隔環(huán)之間的摩擦比較小，忽略不計。各零件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 零件的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of packer parts

2.1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

橡膠材料是不可壓縮材料，所以整個密封機構使用20節(jié)點六面體單元進行網(wǎng)格劃分。為了準確分析接觸區(qū)域的壓縮距和應力，對3個膠筒進行細化，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 密封機構網(wǎng)格模型Fig.3 Meshed model of the sealing mechanism

在注水工況中，中心管上、下兩端固定；套管外側為水泥固定，故而將套管上、下端和外側固定；下方調節(jié)環(huán)下端固定；保證坐封載荷均勻施加在膠筒上，限制隔環(huán)內端的徑向自由度；上方反洗座施加向下的坐封壓力。

2.1.4 載荷步設置

可鉆封隔器在坐封作業(yè)時，膠筒受力產生較大變形，在有限元分析過程中，需要使用不斷迭代的方法進行膠筒的大變形分析，共設置6個載荷步，仿真時間為6 s 。

2.2 仿真結果分析

2.2.1 在不同載荷下膠筒變形的接觸壓力

通過有限元分析可得到不同載荷下膠筒與套管的接觸壓力等線圖，如圖4所示。

圖4 不同載荷下膠筒與套管的接觸壓力等線圖Fig.4 Contour of contact pressure between rubber sleeve and casing under different loads

為了更加直觀地了解隨載荷增大膠筒與套管內壁接觸壓力的變化，繪制接觸壓力變化曲線，如圖5所示。

由圖4和圖5可知：

(1)在不同的載荷下，膠筒與套管內壁的接觸壓力均出現(xiàn)在上膠筒頂部。

(2)在不同的載荷下，與套管內壁接觸的都是上膠筒，其次為中膠筒，最后是下膠筒。

圖5 接觸壓力隨載荷變化曲線Fig.5 Contact pressure vs.load

(3)隨著載荷越來越大，3個膠筒與套管內壁的接觸壓力越來越大，接觸壓力呈現(xiàn)明顯的線性狀態(tài)增加。

(4)在膠筒可承載范圍內，接觸壓力越大，越有利于膠筒密封。接觸壓力最大的是上膠筒與套管內壁之間，其次是中膠筒與套管內壁之間，最小的是下膠筒與套管內壁之間。

2.2.2 不同載荷下膠筒變形

對膠筒施加5、10、15、20、25及30 MPa載荷，得到可鉆封隔器膠筒在不同壓力載荷下的變形云圖及壓縮距，如圖6所示。

圖6 不同壓力載荷下膠筒壓縮距Fig.6 Compression distance of the rubber sleeve under different pressure loads

為了更加直觀地了解膠筒壓縮距隨載荷增大的關系，繪制壓縮距隨載荷變化曲線，如圖7所示。

圖7 膠筒壓縮距隨載荷變化曲線Fig.7 Compression distance vs.load

由圖6和圖7可知：

(1)隨著載荷的不斷加大，膠筒變形量逐漸增加，壓縮距不斷增大，膠筒與套管之間的接觸長度不斷增加。

(2)上膠筒最先被壓實且變形量最大，中膠筒次之，下膠筒的變形量最小。

(3)膠筒的壓縮距變化不均勻，在初始受力時變化量增加快；在15 MPa后，膠筒的彈性抵抗越來越明顯，膠筒壓縮距的增加逐漸變緩。

3 室內試驗及現(xiàn)場應用

3.1 室內試驗

3.1.1 泄漏及強度試驗

(1)試驗目的。為保證可鉆封隔器在工作時不發(fā)生泄漏、變形及損壞等狀況，對其強度有一定要求，必須進行強度性能試驗。為此，2021年3月21日在西安石油大佳潤實業(yè)有限公司實驗室進行試驗。

(2)試驗方法。試驗時，將組裝好的封隔器上端連接試壓接頭，下端連接絲堵，連接時需將上、下接頭絲扣清理干凈，涂抹密封脂；在膠筒處套上?139 mm×?121 mm×400 mm的套管短節(jié)，在試驗臺固定；用試壓泵按工作壓力的1.2倍加壓，穩(wěn)壓5 min。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 可鉆封隔器試驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of the drillable packer

通過觀察密封情況并測量剛體變形量可知，可鉆封隔器不滲不漏，外部整體無變形，強度達到設計標準，膠筒回收尺寸在合理范圍內，選用的膠筒壓縮性也符合設計要求。

3.1.2 坐封壓力試驗

(1)試驗目的。檢驗可鉆封隔器的密封性能、耐壓性能和坐封性能是否符合封隔器的設計標準。

(2)試驗方法。可鉆封隔器在120 ℃油浸24 h后進行承壓、坐封試驗。試驗時使用內徑為127 mm的P110套管，設計試驗壓差梯度為5 MPa→10 MPa→15 MPa→20 MPa→25 MPa→30 MPa→35 MPa；在35 MPa壓差梯度下，穩(wěn)壓15～20 min，壓降小于5%，觀察可鉆封隔器整體承壓性能是否達到30 MPa，記錄試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)象進行分析。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在壓力增加到6 MPa時，剪切銷釘剪斷，封隔器開始坐封；繼續(xù)加壓至35 MPa，壓力下降約0.5 MPa。在進行上壓差穩(wěn)壓、下壓差穩(wěn)壓試驗時穩(wěn)壓壓力穩(wěn)定，壓力泄漏較小。試驗完成后，將可鉆封隔器從試驗裝置中取出，觀察封隔器外觀和膠筒沒有變化。

由室內試驗結果可知，可鉆封隔器密封性能、承壓性能和坐封性能都達到設計標準要求，可以進行現(xiàn)場應用。

3.2 現(xiàn)場應用情況

在仿真分析和室內試驗成功的基礎上，為了驗證可鉆封隔器的整體性能，于2021年8月在長慶王92-341井、坪9-0012井進行現(xiàn)場試驗。王92-341井井深1 212 mm，井斜9.5 °，施工時間1.2 h；坪9-0012井井深1 348 mm，井斜9.5 °，施工時間1.2 h。

現(xiàn)場試驗結果表明，可鉆封隔器結構設計合理，反洗井時排量大，坐封順利，解封可靠，整體密封性能良好。

4 結 論

(1)為了油田注水井長期有效注水，筆者設計了一種可鉆封隔器，該封隔器滿足分層注水工藝要求。

(2)封隔器零件由可鉆復合材料制成，外層可快速鉆除，可上提解封打撈，也可套銑鉆塞打撈，降低了作業(yè)風險，減小了大修概率。

(3)通過仿真分析得出膠筒密封機構在不同壓力下，膠筒與套管內壁的接觸壓力與壓縮距，結果顯示該封隔器滿足設計要求，密封性能良好。

(4)室內試驗和現(xiàn)場試驗結果表明：可鉆封隔器坐封順利，整體密封性能良好，解封可靠；常溫至120 ℃高溫下承壓25 MPa，滿足現(xiàn)場應用要求，可以提高油田企業(yè)的完井作業(yè)能力，具有良好的推廣應用前景。