防砂封隔器試驗研究

趙海杉 魏愛拴 周云華 劉禹銘 嚴孟凱

1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452

2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司 周云華 天津 300459

由于海上油田的特點，大部分井都需要進行防砂作業，防砂技術是海上油氣田大規模開發的技術前提。井下防砂工具能夠實現有選擇性防砂，確保原油順暢流出。封隔器是防砂工具中最重要的一種工具，見圖1。它的性能直接關系到防砂的成敗，主要通過對封隔器的試驗研究，分析總結試驗現象，為后期工具研究提供依據。

圖1 封隔器結構

1 封隔器技術要求

根據設計，9-5/8”改進型頂部封隔器技術要求是：適用于9-5/8”套管（40～47#），打壓至3000Psi×5min坐封到位，坐封試驗最大承載90t，然后驗封5000psi×10min，不降為合格。下面計算套管內多大的壓強會產生相當于90t的掛載力，經查閱手冊，47#套管內徑為220.5mm，其內徑截面積為S=πr20.03871m2，壓力等于壓強乘以面積：F=P×S，即90×1000×9.8=P×0.03817，通過計算得出p=23.11MPa=3350Psi。同理，通過計算當驗封5000Psi時，對卡瓦產生約134t的掛載力。因此，我們在對封隔器坐封后，進行驗封，在3350psi時，將對卡瓦產生90t的壓載力，并以此作為掛載試驗。

2 試驗過程

2.1 座封

座封程序：灌水連接管線，進行打壓座封：500Psi×3min，1300Psi×3min，1800Psi×5min，2500Psi×5min。

表1 座封現象記錄

2.2 驗封

1）反向驗封：套管組合：3.15m短套管+套管變扣接頭9-5/8”BTCP×5-1/2”STCB+5-1/2”STCP×310+311×1/2”NPT。封隔器組合：封隔器+7-5/8”延伸筒（1.2m）+7-5/8”STC P X 7”STC P+7”STC B堵頭。

反向驗封現象：1600Psi之前觀察到套管與膠筒環空漏水，高壓時套管與膠筒環空不漏；3000psi以上漏壓趨緩，判斷是封隔器O圈或者封隔器組合的絲扣連接漏水；3350Psi時，封隔器未見軸向竄動，壓力未降，經計算此時卡瓦掛載力為90t，故驗證卡瓦合格。

2）正向驗封：

正向驗封工具組合：套管變扣接頭9-5/8”BTCP*5-1/2”STCB+變扣5-1/2”STCP*變扣310+試壓堵頭311*1/2”NPT+2m短套管+3.15m短套管+套管變扣接頭9-5/8”BTCP*5-1/2”STCB+變扣5-1/2”STCP*310

服務工具組合：盲堵3-1/2”EUEP+190-60正轉脫手工具+盲堵3-1/2”EUEP

封隔器組合：封隔器+7-5/8”延伸筒（1.2m）+7-5/8”STC P X 7”STC P+7”STC B堵頭，7-5/8延伸筒（長1.2m）是為封隔器接盲堵的變扣，（盲堵+正轉脫手工具+盲堵）的作用是在當反向驗封不成功時，正向驗封時使用，以確定反向驗封是膠筒漏還是坐封工具漏。

2.3 解封

封隔器左旋脫手無法脫手，封隔器本體可以自由轉動，無法解封。用旋轉車床切割套管，切割位置為距離卡瓦約2cm的下錐體處的套管。

3 試驗現象分析

3.1 現象分析

根據試驗中出現的連接套破裂，導向銷剪斷，以及坐封后部分工具拆卸困難等試驗現象，分析說明如下：

在連接完成試壓工具之后，封隔器上部套管內打壓至4800Psi，心軸、鎖環、連接套之間的作用力為75.77t，由于連接套承載力有限，在此作用力下連接套發生破裂，連接套破裂后鎖緊機構失效，心軸、下錐體、導向銷在此作用力下迅速下移，于此同時，卡瓦和卡瓦套仍固定在套管壁上，圖紙測量可得心軸相對于上錐體的下移行程為48.2mm，其大于導向銷此時的軸向行程28.1mm，致使兩個導向銷在心軸下移過程中發生剪切，此時卡瓦無下錐體支撐，鎖環失效同時巨大撞擊力可使上錐體脫離卡瓦，膠筒快速復位，套管內壓力歸0，因此膠筒密封和卡瓦懸掛全部失效。

由于撞擊力產生的動能過大，使得上接頭、心軸、脫手工具之間的連接螺紋被擠緊或擠損，以致無法常規拆卸。

綜上所述，驗證卡瓦懸掛力時需重點考慮鎖環連接處的強度，避免鎖環連接處的負載過大，防止鎖環失效引起巨大的沖擊動能，進而保證試驗的準確性和安全性。

3.2 驗封工況下受力計算

反向和正向驗封后，發現套管坐封位置鼓脹了3mm，3mm的擴徑（約223mm）小于40#套管224.4mm的內徑，本封隔器為40～47#通用封隔器。結合上面分析認為套管的膨脹和封隔器的竄動沒有關系。

（1）已知條件

套管規格為9 5/8” 47# N80套管，內徑為220.5mm，套管的內屈服壓力為47.3MPa，管體屈服強度為483MPa，驗封壓力為4500Psi和4800Psi兩種工況，設定坐封軸向推力為F，設定每片卡瓦對套管徑向推力為N，設定卡瓦與套管直接的摩擦因數為f，取上、下錐體與卡瓦牙的摩擦因數為f1=0.1，卡瓦牙片數為n=6。

（2）受力分析

a）求解驗封為4800Psi工況下的軸向推力

b）求解驗封為4500Psi工況下的軸向推力

c）求解每片卡瓦對套管的徑向推力N

驗封過程中，上錐體和卡瓦牙的受力分析如下圖所示

根據圖2和圖3建立受力平衡方程，經過力學換算該工況下的受力結果如下：

圖2 上錐體受力分析圖

圖3 卡瓦牙受力分析圖

（3） 驗封為4800Psi工況下的有限元分析

添加實際驗封工況條件后，以套管本體為研究目標，提取套管上應力分布如圖4所示。

圖4 套管受力分析

為了進一步觀察計算結果，通過軟件后處理，篩選得到高于管體屈服應力的應力值分布如圖5所示。

圖5 卡瓦坐封位置應力分布

如圖5所示，卡瓦牙坐封位置環形一周的局部應力分布為500～750MPa均高于管體的屈服強度，故套管會發生屈服變形，徑向尺寸增大。

（4） 驗封為4500Psi工況下有限元分析

如下圖所示，添加實際驗封工況條件后，以套管本體為研究目標，提取套管上應力分布如圖6。

圖6 套管上應力分布

為了進一步觀察計算結果，通過軟件后處理，篩選得到高于管體屈服應力的應力值分布如圖7所示。

圖7 卡瓦屈服變形

如圖7所示，卡瓦牙坐封位置環形一周的局部應力分布為500～700MPa均高于管體的屈服強度，故套管在此工況下也會發生一定的屈服變形，但比較4800Psi工況下的應力、應變值分布均值偏小。

4 結束語

1）本次試驗的主要目的是驗證改進型封隔器坐封到位后卡瓦的軸向承受能力，設計要求滿足90t的掛載力（套管內打壓至3350Psi），實際試驗結果達到120.6t（套管內打壓至4500Psi×10min），故封隔器坐封到位后卡瓦的軸向承載能力滿足設計要求。

2）封隔器坐封到位后的膠筒試壓，設計要求滿足5000Psi×10min的膠筒承壓，實際試驗結果達到上部試壓4500Psi×10min，且試壓過程中壓力保持穩定，由于試驗條件不理想，無法繼續驗證至設計參數，但根據以往實踐經驗和該膠筒的密封原理，可判斷改進型頂部封隔器膠筒坐封后滿足設計要求。

3）為了驗證改進型頂部封隔器各項設計參數的穩定性和可靠性，下一步需要再對改進型頂部封隔器進行地面功能試驗，同時，經過首次改進型頂部封隔器的地面功能試驗，我們發現了驗證頂部封隔器功能參數更合適的試驗方法，以及確定試驗過程中更合理的試驗參數。