分支井雙管封隔器膠筒密封性能研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TE931.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.005

SealingPerformanceofDual TubingPackerRubberinBranchHoles

XU Jing， MA Lei， YANG Junlong， HAN Cheng， CAO Feng （Zhanjiang Branch， CNOOCChina Co.，Ltd.， Zhanjiang 524057，China）

Abstract：Inorder to study thesealing failure of dual tubing packersand reduce the packer failure accident in branch holes，the dual tubing packer rubber in branch holes was studied，and the sealing process of dual tubing packer rubber was simulated by finite element software.The effective sealing coeffcient was proposed to evaluate the sealing performance of the rubber.In addition，the sealing performance of cylindrical，butterfly，and wedge rubbers was studied from the aspects of rubber hardnessand friction coeficient.The results show that the established finite element model can effectively simulate the sealing processof the packer rubber. The comparison with the experiment reveals that the model can meet the engineering requirements. The circumferential contact pressure distribution of the dual tubing packer rubber is not uniform，which will lead to local pressure concentration and reduce the overall sealing performance.A greater rubber hardness and greater friction coefficient mean lower sealing performance. The wedge -shaped rubber scheme involves a certain rubber overlap，which can improve the influence of hardness and friction coefficient on the sealing to acertain extent，with optimal relative effect.The research results can provideareference for the design of a dual tubing packer.

Key words：branch hole; dual tubing packer; rubber; sealing performance; finite element

分支并技術(shù)在保留原有并眼的條件下，開(kāi)窗側(cè)鉆出新井眼，實(shí)現(xiàn)多井眼接觸油藏，最大限度地減少新鉆井對(duì)油藏的影響，尤其當(dāng)海上油田槽位可用性有限時(shí)，與多口單井相比，分支井系統(tǒng)節(jié)省了工程開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低了建井成本，得到廣泛應(yīng)用[1-3]。雙管封隔器連接在井下主管柱和副管柱，用于封隔管柱與套管的環(huán)形空間，是分支井實(shí)施過(guò)程中的重要設(shè)備。封隔器膠筒是封隔器能否有效封隔的關(guān)鍵部件，嚴(yán)重影響油氣開(kāi)采的效率和安全性[4-6]

為減少封隔器失效，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)封隔器膠筒的材料和結(jié)構(gòu)做了大量研究[7-I]。劉洋等[2]基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和大變形接觸有限元分析，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)張封隔器，研究了壓差、溫度和摩擦因數(shù)對(duì)膠筒密封性能的影響。曾永鋒等[13]設(shè)計(jì)了一種膨脹式封隔器，對(duì)其不同長(zhǎng)度密封性能進(jìn)行了對(duì)比分析，研究了膠筒內(nèi)部溫度變化規(guī)律。王智勇等[14建立了Rtts封隔器有限元模型，應(yīng)用控制變量法研究了封隔器密封性能的影響因素。楊帥[15]建立了THT封隔器有限元模型，研究了封隔器密封性能、錨定性能的影響因素，提出了考慮膠筒敏感性系數(shù)指標(biāo)等。

目前在封隔器的相關(guān)研究中，大多研究單管柱封隔器的失效問(wèn)題，采用試驗(yàn)和有限元方法研究封隔器密封性能。但對(duì)分支井雙管柱封隔器的研究較少，實(shí)際操作中大多借鑒單管封隔器的經(jīng)驗(yàn)，由于雙管柱的相互影響，會(huì)導(dǎo)致超彈性材料的密封更加復(fù)雜，與單管柱封隔器存在一定偏差。

本文基于自主研制的雙管封隔器，建立雙管封隔器膠筒模型，分析膠筒接觸壓力分布規(guī)律，建立密封評(píng)價(jià)指標(biāo)，從膠筒硬度和摩擦因數(shù)對(duì)雙管封隔器膠筒密封性能進(jìn)行研究。

1分支井組成

1.1分支井完井系統(tǒng)

從分支井完井方式的功能性和復(fù)雜性的角度分為六個(gè)級(jí)別，五級(jí)及以上的分支井能夠?qū)崿F(xiàn)主井眼與分支井眼連接處的完整機(jī)械支撐和整體液力密封，應(yīng)用前景和適用范圍更為廣闊。五級(jí)分支井完井井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，關(guān)鍵技術(shù)是雙管柱密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主井眼及分支井眼的獨(dú)立隔離，需要利用雙管封隔器連接雙管密封回接系統(tǒng)，下入至井中。在分支井眼連接器的位置，雙管密封系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分離，分別插入至主井眼及分支并眼密封系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)井筒的同時(shí)密封及開(kāi)采的通道。

1.2 雙管封隔器

針對(duì)分支井中部完井的實(shí)際工況，自主設(shè)計(jì)雙管封隔器，屬于壓縮式封隔器，主要結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。雙管封隔器隨主管下至預(yù)定位置，坐封時(shí)，主管加壓，液壓力經(jīng)主管中心管傳壓孔傳入封隔器，推動(dòng)推筒運(yùn)動(dòng)，將卡瓦撐開(kāi)并錨定與套管上，同時(shí)鎖塊釋放，繼續(xù)推動(dòng)推筒，壓縮膠筒，密封環(huán)形空間。解封時(shí)，上提主管，錨定機(jī)構(gòu)不動(dòng)，剪斷解封銷(xiāo)釘，上椎體、卡瓦脫離套管，封隔器解封。

封隔器膠筒在軸向載荷作用下徑向膨脹，與套管接觸，產(chǎn)生一定的接觸壓力，封隔環(huán)形空間。常規(guī)的單管封隔器，屬于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所承受的載荷與變形具有軸對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)。對(duì)于雙管封隔器，其內(nèi)部有2組中心管柱，會(huì)導(dǎo)致膠筒的受力與形變更加復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)3種形式的膠筒組合方案進(jìn)行對(duì)比研究和分析，如圖3所示。

1-擋板;2-中膠筒;3-推筒;4-上椎體;5-卡瓦;6-卡瓦罩;7-下椎體;8-下端蓋；9-主管中心管;10-套管；11-邊膠筒；12-副管中心管。

桶形方案采用與常規(guī)封隔器類(lèi)似的桶形膠筒；蝶形方案的中膠筒采用蝶形，考慮為膠筒提供更多的形變空間；楔形方案的中膠筒采用較大的倒角，考慮通過(guò)重疊材料建立有效密封。

2 建立模型

2.1膠筒本構(gòu)模型

膠筒選用材料為氫化丁腈橡膠。氫化丁腈橡膠屬于高度非線(xiàn)性材料，其特性更加復(fù)雜，在不考慮橡膠材料的蠕變、Mullins效應(yīng)等特點(diǎn)時(shí)，可采用體積應(yīng)變能密度函數(shù)來(lái)描述橡膠的材料特性，應(yīng)變能函數(shù)可近似表達(dá)為[16-17]：

式中： S_ij 為第2類(lèi)Piola-Kirchhoff應(yīng)變張量，W為單位體積的應(yīng)變能函數(shù)， E 為L(zhǎng)agrangian應(yīng)變張量。

在研究橡膠材料時(shí)，超彈性本構(gòu)模型常用的有Mooney-Rivlin模型，應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式為：

式中： U 為應(yīng)變能密度， J/m³;C₁₀，C₀₁ 為材料Mooney-Rivlin系數(shù)， MPa I₁ 和 I₂ 分別為第一和第二應(yīng)變張量不變量。

采用Mooney-Rivlin模型作為膠筒的本構(gòu)模型，假定橡膠是不可壓縮且各向同性，在中等應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)變能函數(shù)可較好擬合，并模擬橡膠特性[18]

2.2 有限元模型

以自主研制的雙管封隔器為研究對(duì)象，套管內(nèi)徑 ?224.4mm ，主中心管外徑 ?94mm ，副中心管外徑?78mm ，單個(gè)膠筒高度為 70mm 。

利用Ansys軟件建立雙管封隔器的三維有限元模型，在建模過(guò)程中，上下?lián)醢逑尬患凹虞d采用對(duì)上下膠筒邊界施加位移的方式模擬；套管及2組中心管相對(duì)于膠筒彈性模量較大，而本文重點(diǎn)研究膠筒的性能，故采用剛體模擬套管和中心管。根據(jù)不同膠筒方案，分別在膠筒的外表面與套管、膠筒內(nèi)表面與中心管柱、膠筒之間的接觸區(qū)域及變形后可能發(fā)生的接觸區(qū)域設(shè)置接觸對(duì)，并對(duì)接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，確保分析的準(zhǔn)確性；對(duì)模型中套管和中心管進(jìn)行固定約束，對(duì)下膠筒的底面進(jìn)行軸向位移約束，對(duì)上膠筒的頂面施加軸向位移載荷，模擬膠筒的壓縮過(guò)程；采用Newton-Raphson迭代算法對(duì)模型進(jìn)行求解；膠筒對(duì)應(yīng)的Mooney-Rivlin雙參數(shù)模型的系數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)得到材料硬度與彈性常數(shù)之間關(guān)系，本文依據(jù)文獻(xiàn)[19]的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。有限元模型如圖4所示。

3 模型分析評(píng)價(jià)

3.1 膠筒接觸壓力分布規(guī)律分析

膠筒接觸壓力的分布對(duì)封隔器的密封性能至關(guān)重要，故采用前述建立的有限元模型，膠筒硬度選取IRHD80，在上膠筒頂面施加位移載荷 35mm ，對(duì)三種形式的膠筒方案進(jìn)行計(jì)算，膠筒接觸壓力云圖如圖5所示。

由圖5可以看出，對(duì)于桶形方案，周向方向接觸應(yīng)力分布不均勻，周向方向未形成較為連續(xù)的密封區(qū)域。這是由于兩組中心管柱的影響，膠筒在徑向材料分布不均勻，膠筒在受到軸向壓縮時(shí)，參與徑向膨脹的膠筒厚度不同導(dǎo)致的，接觸分布不均勻；對(duì)于蝶形方案，膠筒之間接觸區(qū)域以及鄰近區(qū)域可形成較為完整的密封區(qū)域。這是由于膠筒之間存在一定的形變空間，軸向壓縮過(guò)程中材料進(jìn)行了部分重新分配，但軸向密封長(zhǎng)度在靠近中心管柱和遠(yuǎn)離中心管柱的方向仍存在一定差異；對(duì)于楔形方案，在上膠筒下側(cè)和下膠筒上側(cè)形成了較為均勻的密封帶。這是由于中膠筒存在較大的倒角，密封帶主要由上下膠筒與中膠筒重疊區(qū)域的橡膠互相擠壓形成，而該部分重疊區(qū)域受中心管柱分布不對(duì)稱(chēng)影響較少。

3.2膠筒密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于傳統(tǒng)單管封隔器，通常采用峰值接觸壓力作為密封評(píng)價(jià)指標(biāo)[20]。但對(duì)于雙管封隔器來(lái)說(shuō)，由于是非軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致接觸壓力在周向上分布不均勻性，膠筒在周向方向形成局部高壓力區(qū)域，不易形成閉合的環(huán)形高壓力密封區(qū)域，所以峰值接觸壓力無(wú)法完全表征密封性能。

針對(duì)該類(lèi)型密封的評(píng)價(jià)問(wèn)題，提出有效密封系數(shù) ，用于評(píng)價(jià)密封性能

主要計(jì)算步驟如下：

1）首先根據(jù)膠筒接觸壓力分布，得到峰值接觸壓力 p₀ 。

2）計(jì)算 p₁=p₀-Δp 為接觸壓力搜索步長(zhǎng)，根據(jù)計(jì)算精度和安全余量設(shè)定。

3）搜索膠筒外表面的壓力分布數(shù)據(jù)，檢查是否存在介于 p₀ 和 |p₁ 之間的環(huán)向封閉的壓力帶，且壓力帶最小寬度大于最小設(shè)計(jì)密封寬度，若不存在，增大 ，重復(fù)進(jìn)行步驟2）和步驟3），直到找到滿(mǎn)足要求的壓力帶，此時(shí)的壓力記作 。

4）根據(jù)式（3）計(jì)算有效密封系數(shù) n ○

式中： p_n 為根據(jù)上述方法搜索得到的建立有效密封帶的最小壓力值， 為封隔器設(shè)計(jì)的坐封壓力值， MPa 。

3.3 膠筒硬度對(duì)密封性能的影響

為研究膠筒的硬度對(duì)雙管封隔器密封性能的影響，分別建立不同硬度膠筒的仿真模型，硬度分別為IRHD70、IRHD75、IRHD80、IRHD85、IRHD90，在膠筒頂面施加 30MPa 壓力載荷，根據(jù)有效密封系數(shù)的計(jì)算方法，得出不同工況下的有效密封系數(shù)，橡膠硬度對(duì)密封性能的影響如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著膠筒硬度的增加，有效密封系數(shù)在下降，說(shuō)明密封性能在下降；同時(shí)三種形式的膠筒里面，桶形方案的膠筒隨硬度增加有效密封系數(shù)下降最大。分析原因，膠筒硬度越大，材料變形量越小，會(huì)導(dǎo)致接觸壓力減小，分布更加不均勻，從而導(dǎo)致有效密封系數(shù)下降；對(duì)于桶形膠筒，其內(nèi)部無(wú)可形變空間，因此有效密封系數(shù)下降最大；蝶形方案的膠筒和楔形方案的膠筒，內(nèi)部存在一定形變空間，有效密封系數(shù)隨硬度下降幅度較小。但硬度大的膠筒對(duì)封隔器內(nèi)部有良好支撐作用，故在滿(mǎn)足密封條件的情況下，應(yīng)選用硬度偏大的膠筒，膠筒形式建議選用楔形或蝶形方案。

3.4摩擦因數(shù)對(duì)密封性能的影響

管內(nèi)介質(zhì)的變化會(huì)對(duì)摩擦因數(shù)有一定影響，因此研究不同摩擦因數(shù)下的膠筒密封性能。分別考慮膠筒與套管的摩擦因數(shù)為 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 ，在膠筒頂面施加 30MPa 壓力載荷，并采用有效密封系數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算不同工況下的有效密封系數(shù)，摩擦因數(shù)對(duì)密封性能的影響如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著摩擦因數(shù)的增加，有效密封系數(shù)在下降，特別當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.3后，有效密封系數(shù)快速下降。三種形式膠筒，桶形膠筒變化最為明顯，楔形膠筒變化不明顯。分析原因，由于摩擦因數(shù)的增加，導(dǎo)致接觸面上接觸壓力分布變化更加明顯，更不易找到環(huán)向封閉的高壓力帶。桶形方案的膠筒和蝶形方案的膠筒在膠筒接觸區(qū)域未有材料重疊區(qū)，更易產(chǎn)生分離，導(dǎo)致密封性能變差。楔形膠筒在膠筒接觸有一定的材料重疊，可提供較為穩(wěn)定接觸壓力。故建議采用楔形膠筒的方案。

4室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

在前述研究分析基礎(chǔ)上，采用楔形膠筒的方案開(kāi)展雙管封隔器的試驗(yàn)，模擬雙管封隔器的作業(yè)過(guò)程。試驗(yàn)中，首先將雙管封隔器裝入測(cè)試工裝，如圖8a所示；然后試驗(yàn)坐封、懸掛力等；再將試壓管線(xiàn)接在試驗(yàn)工裝上端，打壓測(cè)試雙管封隔器的密封性能，如圖8b所示。

通過(guò)重復(fù)5組試驗(yàn)，分別記錄每組得到的密封壓差，并計(jì)算出平均值為 34.6MPa 。同時(shí)，采用建立的有限元模型，利用相同參數(shù)計(jì)算得到的密封壓力為32.1MPa ，略低于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析造成的原因?yàn)椋?① 橡膠作為超彈性材料，采用Mooney-Rivlin雙參數(shù)模型進(jìn)行表征時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差； ② 膠筒在套管內(nèi)的相對(duì)幾何位置變化、摩擦因數(shù)的選擇等，也可能導(dǎo)致一定的偏差。綜合來(lái)看，有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地反映膠筒的密封性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了雙管封隔器在工程應(yīng)用中的可行性。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2023-12，在某井區(qū)邊部井控不足區(qū)域發(fā)現(xiàn)存在剩余油儲(chǔ)量，需部署調(diào)整井側(cè)鉆分支井眼。選定的試驗(yàn)井采用自主研制的雙管封隔器，配合其他五級(jí)分支井相關(guān)工具進(jìn)行作業(yè)[2]，下人管柱包括回接筒、雙管封隔器、雙管轉(zhuǎn)向筒等，如圖9所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中，雙管封隔器的密封壓力為30MPa ，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)與相同地層鄰井產(chǎn)量的對(duì)比分析，顯示出明顯的增產(chǎn)效果。結(jié)果表明，所研制的雙管封隔器能夠滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。

5結(jié)論

1）建立雙管封隔器膠的非線(xiàn)性接觸有限元模型，模擬雙管封隔器膠筒的密封過(guò)程，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，提出的有限元模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)可指導(dǎo)封隔器的設(shè)計(jì)。

1-雙管封隔器；2-回接筒；3-雙管轉(zhuǎn)向筒；4-主井眼配長(zhǎng)油 管；5-主井眼導(dǎo)向密封插頭；6-分支井眼配長(zhǎng)油管； 7-分支井眼導(dǎo)向密封插頭。 圖9試驗(yàn)井完并井身結(jié)構(gòu)

2）雙管封隔器膠筒周向接觸壓力分布不均勻，密封時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓力局部集中，降低了整體的密封性能。提出了有效密封系數(shù)用于評(píng)價(jià)膠筒的密封性能，有效密封系數(shù)越大，密封性能越好。

3）基于有效密封系數(shù)，分析了膠筒硬度和摩擦因數(shù)對(duì)密封性能的影響，膠筒硬度越大，摩擦因數(shù)越大，密封性能越低；楔形方案的膠筒之間有一定重疊，可在一定程度改善硬度和摩擦因數(shù)對(duì)密封的影響，相對(duì)效果較好。

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（編輯：馬永剛）