分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器的結(jié)構(gòu)及性能分析

馮 燕，伍開松

（西南石油大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器的結(jié)構(gòu)及性能分析

馮 燕，伍開松

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）

針對(duì)特高含水期精細(xì)分層注水存在的多級(jí)封隔器解封困難，以及小隔層分層注水封隔器偏離隔層現(xiàn)象，研制了分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器。該封隔器能夠?qū)崿F(xiàn)分級(jí)解封，解封力小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作。利用A B A Q U S有限元分析軟件對(duì)封隔器的長(zhǎng)膠筒進(jìn)行分析，確保長(zhǎng)膠筒的密封及錨定功能的可靠性。

分層注水；封隔器；結(jié)構(gòu)；有限元分析

分層注水是高含水后期、特高含水期繼續(xù)提高水驅(qū)采收率的主要工藝和研究方向，也是實(shí)現(xiàn)油田長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要開采手段。我國(guó)許多大中型油田開發(fā)已進(jìn)入特高含水期，主要潛力已由層間轉(zhuǎn)為層內(nèi)、由主力油層轉(zhuǎn)為非主力的薄差油層。針對(duì)油層含水高、油層動(dòng)用差異大以及薄差層動(dòng)用厚度比例低等問(wèn)題，必須實(shí)行精細(xì)分層注水開發(fā)，提高油層的動(dòng)用程度。

精細(xì)分層后，單井注水層段由4段增加到6～7段，需要的注水封隔器級(jí)數(shù)增多，管柱解封力增大。目前，油氣田常用的封隔器是上接頭與下接頭連接為一體，解封時(shí)同步解封，多級(jí)使用時(shí)，解封力為單級(jí)封隔器解封力與封隔器數(shù)量的乘積，解封力相當(dāng)大，現(xiàn)有的作業(yè)設(shè)備不能滿足需要。常規(guī)注水封隔器膠筒長(zhǎng)度為0．13m，注水管柱在注水狀況下軸向伸縮±0．13m，磁性定位誤差±0．1m，理論上保證封隔器膠筒始終處于未射孔隔層內(nèi)的最小間距為±0．46m［1］。在實(shí)際應(yīng)用中，由于井下各種因素以及管柱蠕動(dòng)的影響，對(duì)于隔層厚度小于0．8m的分層注水井，封隔器工作過(guò)程中有可能偏離隔層，造成注水失效。

為了解決上述問(wèn)題，滿足注水井層段細(xì)分調(diào)整的需要，研制了分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器。該分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器解封時(shí)只用移動(dòng)上部分，每級(jí)封隔器單獨(dú)受力解封，由此實(shí)現(xiàn)分級(jí)解封，解封力小，解封可靠，并設(shè)計(jì)有反洗井通道，且采用長(zhǎng)膠筒可以保證密封效果，封隔器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。

1 封隔器結(jié)構(gòu)

該分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器屬于壓縮式，主要由上下接頭、內(nèi)外中心管、膠筒、坐封機(jī)構(gòu)、反洗井機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和分級(jí)解封機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器結(jié)構(gòu)

2 工作原理

1） 坐封。從油管加液壓，液壓由內(nèi)中心管孔眼作用在活塞上，活塞推動(dòng)卡簧套上行，剪斷坐封銷釘，卡簧套進(jìn)一步推動(dòng)護(hù)套上行，壓縮膠筒，膠筒受壓后徑向產(chǎn)生膨脹，從而封隔油套環(huán)空；卸壓后，鎖緊機(jī)構(gòu)卡簧與卡簧套相嚙合，防止膠筒回彈，完成封隔器坐封。

2） 洗井。從油套環(huán)空加液壓，液體經(jīng)上接頭上的洗井入水孔打開洗井單向閥，洗井液經(jīng)內(nèi)中心管和外中心管的環(huán)形空間從卡簧套上端的孔流出，進(jìn)入下一級(jí)封隔器環(huán)空，依次經(jīng)過(guò)每級(jí)封隔器的洗井通道，最后從管柱底部的篩管和擋球進(jìn)入油管，再?gòu)挠凸芊祷氐降孛?，?shí)現(xiàn)反洗井。

3） 正常注水。油管內(nèi)液體壓力大于油套環(huán)空壓力，洗井單向閥不會(huì)反向打開，保證封隔器有效封隔。

4） 解封。需要上提管柱，內(nèi)中心管隨上接頭上移，拉斷解封銷釘，解除鎖定，膠筒回彈，外中心管因?yàn)槊芊饽z筒和套管的摩擦作用而保持不動(dòng)，下接頭離開內(nèi)中心管，封隔器實(shí)現(xiàn)解封。繼續(xù)上提管柱，內(nèi)中心管端部凸臺(tái)與轉(zhuǎn)接套掛接，帶動(dòng)下接頭上移，進(jìn)行下一級(jí)封隔器的解封。

3 主要技術(shù)參數(shù)

總長(zhǎng)度850mm最大外徑?115mm最小通徑?55mm坐封壓力12mPa工作壓差35mPa工作溫度120℃適用套管尺寸139．7mm

4 性能特點(diǎn)

1） 封隔器內(nèi)中心管端部凸臺(tái)與轉(zhuǎn)接套掛接，上提上接頭，拉斷解封銷釘，膠筒回彈，內(nèi)中心管隨上接頭一起上移，與下接頭分開，因此，封隔器解封只用移動(dòng)上部分，能夠?qū)崿F(xiàn)逐級(jí)解封，解封載荷小。

2） 封隔器采用長(zhǎng)膠筒，對(duì)于精細(xì)注水的小隔層，即使膠筒覆蓋到射孔井段也能保證密封效果，并且長(zhǎng)膠筒還可以提供錨定功能。

3） 膠筒兩端采用筒形硫化頭，有效改善應(yīng)力分布，使封隔器密封可靠，解封靈活。

5 長(zhǎng)膠筒有限元分析

由于封隔器的邊界條件較復(fù)雜，有限元方法需要將封隔器的內(nèi)中心管、膠筒、兩端護(hù)套以及套管作為整體進(jìn)行分析［2］。根據(jù)壓縮式封隔器的工作原理，主要分析膠筒與套管間的非線性接觸情況［3］。

5．1 幾何模型建立

利用有限元分析軟件A B A Q U S建立封隔器的軸對(duì)稱模型，護(hù)套、中心管、套管材料定義為鋼，膠筒材料為超彈性不可壓縮材料，采用丁腈橡膠，選擇Yeoh三次冪本構(gòu)模型來(lái)模擬橡膠材料，材料常數(shù)為C10＝3．465，C20＝－3．245 8，C30＝5．380 5；膠筒采用4節(jié)點(diǎn)C A X4R H單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，護(hù)套、中心管和套管采用C A X4R劃分網(wǎng)格，材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

建立的分析模型如圖2所示，邊界條件為中心管和套管兩端在y方向固定，上護(hù)套上端在y方向固定，另外套管在x方向固定，載荷加在下護(hù)套下端。

圖2 封隔器長(zhǎng)膠筒模型

考慮接觸時(shí)的摩擦因數(shù)，膠筒與護(hù)套、護(hù)套與中心管之間的摩擦因數(shù)取0．1，而膠筒與套管間接觸問(wèn)題比較復(fù)雜，封隔器膠筒系統(tǒng)在正常工作過(guò)程中，其摩擦因數(shù)在不同的工況下會(huì)有所變化，即摩擦因數(shù)不是一個(gè)定值，但通過(guò)摩擦因數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)表明橡膠與金屬間的摩擦因數(shù)0．3～0．4［4］，本文取摩擦因數(shù)f＝0．3，在工作壓差為30mPa情況下進(jìn)行膠筒的有限元分析。

5．2 分析結(jié)果

圖3為長(zhǎng)膠筒壓縮變形后的等效應(yīng)力圖，圖4 為f＝0．3的法向接觸應(yīng)力曲線，圖5為f＝0．3的接觸摩擦切應(yīng)力曲線。由圖可以看出，受力最大部件為中心管，應(yīng)力為163．8mPa，小于許用應(yīng)力，中心管為安全狀態(tài)；膠筒的最大應(yīng)力為41．08mPa，膠筒的接觸密封區(qū)域很大，膠筒的最大法向接觸應(yīng)力和接觸摩擦切應(yīng)力都出現(xiàn)在加載端與下護(hù)套接觸的膠筒部位，符合封隔器膠筒的加載受力規(guī)律。

圖3 長(zhǎng)膠筒壓縮變形后的等效應(yīng)力

圖4 f＝0．3時(shí)的法向接觸應(yīng)力曲線

圖5 f＝0．3時(shí)的接觸摩擦切應(yīng)力曲線

5．3 長(zhǎng)膠筒的功能分析

1） 密封功能。

密封元件的承壓能力取決于接觸應(yīng)力，即能否實(shí)現(xiàn)有效密封的關(guān)鍵在于接觸應(yīng)力是否足夠大。美國(guó)托馬斯等人提出，封隔器的承壓能力，是膠筒元件在密封中所產(chǎn)生的壓力（或應(yīng)力）的函數(shù)，這個(gè)應(yīng)力不得低于工作壓差，才能達(dá)到和維持密封［4-5］。膠筒在密封中所產(chǎn)生的法向應(yīng)力即接觸應(yīng)力，由圖4分析可知，工作壓差為30mPa時(shí)，長(zhǎng)膠筒與套管間的最大接觸應(yīng)力大于30mPa。因此，該長(zhǎng)膠筒能夠?qū)崿F(xiàn)密封功能。

2） 支撐功能。

封隔器坐封前由于重力作用使整個(gè)管柱居于水平段底部。膠筒壓縮后與套管接觸產(chǎn)生正壓力，并隨著加載壓力增大而增大，管柱所受正壓力的方向與管柱重力方向相反，管柱在正壓力作用下會(huì)慢慢上抬，若正壓力能克服管柱自重就能支撐起管柱［4］。該注水井為垂直井，因此不考慮長(zhǎng)膠筒的支撐功能。

3） 錨定功能。

錨定功能是由接觸壓力產(chǎn)生的接觸摩擦力實(shí)現(xiàn)的，接觸摩擦力越大，越能更好實(shí)現(xiàn)錨定功能。接觸摩擦力公式為［4］：式中：Ff為接觸摩擦力，k N；p為接觸應(yīng)力，mPa；f為摩擦因數(shù)；A為膠筒與套管間接觸面積，mm2， A＝2πR L；R為套管內(nèi)半徑，mm；L為膠筒與套管接觸長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)上式可計(jì)算出膠筒與套管間的接觸摩擦力Ff＝215．23 k N。

軸向力可由下式計(jì)算出［5］：式中：pk為接觸應(yīng)力，m Pa；σ1為沿元件橫截面的加權(quán)平均軸向應(yīng)力，m Pa；G為抗剪彈性模量，G＝5．27mPa；A1為膠筒變形后的橫截面積，mm2；A0為膠筒變形前的橫截面積，mm2；η為縱向變形量，η＝A0／A1；ρ0為密封膠筒內(nèi)半徑與外半徑的比值；F為軸向力，k N。

通過(guò)上式計(jì)算得出，σ1＝12．279m Pa，F(xiàn)＝89．276 k N。由于長(zhǎng)膠筒比一般膠筒長(zhǎng)，并且由于摩擦阻力的存在會(huì)降低軸向力的傳遞，因此要考慮取安全系數(shù)為2，即軸向力為178．552 k N。由此可知，摩擦力大于軸向力，長(zhǎng)膠筒能夠?qū)崿F(xiàn)錨定功能。

6 結(jié)論

1） 該分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器能夠較好實(shí)現(xiàn)逐級(jí)解封，解封力小，密封可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2） 通過(guò)有限元分析，該分級(jí)解封長(zhǎng)膠筒封隔器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的密封、錨定功能，能夠很好地解決小隔層分層注水封隔器偏離隔層的問(wèn)題。

［1］ 徐國(guó)民，劉亞三，米忠慶．特高含水期精細(xì)分層注水需要解決的問(wèn)題［J］．石油科技論壇，2010，29（4）：19-24．

［2］ 葛松．壓縮式封隔器密封膠筒有限元分析及改進(jìn)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：92-95．

［3］ 劉永輝，付建紅，林元華，等．封隔器膠筒密封性能有限元分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（9）：38-41．

［4］ 劉清友，代娟，韓傳軍，等．長(zhǎng)膠筒在水平井酸化管柱中的可行性分析［J］．石油機(jī)械，2008，36（6）：65-68．

［5］ 朱曉榮．封隔器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［m］．北京：中國(guó)石化出版社，2012．

Structure and Performance Analysis of Gradual Releasing Long Tubing Packer

FENG Yan，WU Kaisong
（School ofmechanical Engineering，South west PetroleumUniversity，Chengdu610500，China）

Astract：In the extra high water cut period，there are some releasing difficulties ofmultilevel packer in the process of the fine layering water injection，and layering water injection packer will appear jammed phenomenon in smallinterlayer，so a releasing graduallong tubing packer was developed，w hich can realize the function of grading unlock，small unlock force，sim ple structure andeasy to operate．Using the AQUS finite element analysis software，the long rubber tube was analyzed to ensure the long rubber tube sealing and the realization of the function of anchor．

layering water injection；packer；structure；F Em

T E931．203

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．017A

2014-10-23

馮 燕（1990-），女，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事井下設(shè)備方面技術(shù)研究，E-mail：xts1990＠qq．com。