244.5 mm套管三膠筒隔離封隔器研制

徐 剛，張 斌2，李 進(jìn)，張啟龍，劉 鵬

(1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452)①

隔離封隔器是用于井下套管封隔油、氣、水層的專用工具[1]。它通過(guò)專用服務(wù)工具找到其坐封位置，利用密封傳壓工具使封隔器內(nèi)外形成壓差，使剪切銷(xiāo)釘剪斷，活塞移動(dòng)壓縮封隔器膠筒，使其徑向膨脹并封隔套管或裸眼井壁。同時(shí)，單向鎖緊機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖，使膠筒永久處于徑向膨脹狀態(tài)，封隔器實(shí)現(xiàn)有效密封[2-3]。

老式的隔離封隔器在下行過(guò)程中由于膠筒較軟，容易出現(xiàn)刮損等破壞，嚴(yán)重影響防砂作業(yè)的進(jìn)行。因此，在完井防砂和生產(chǎn)作業(yè)中需要一種可完全回收、高性能、可承受一定壓力的隔離封隔器[4]。由于具有不同硬度的三膠筒結(jié)構(gòu)在壓縮時(shí)能夠形成更好的應(yīng)力分布，使密封性能穩(wěn)定可靠，近來(lái)已逐漸成為隔離封隔器的主流密封結(jié)構(gòu)[5]。

筆者設(shè)計(jì)了一種利用充填轉(zhuǎn)換服務(wù)工具來(lái)坐封的三膠筒新型隔離封隔器，其沒(méi)有懸掛防砂管柱的功能，但可以防止油、氣水串層。通過(guò)回收頂部封隔器總成就可以直接回收隔離封隔器。

1 結(jié)構(gòu)

新型隔離封隔器主要由密封機(jī)構(gòu)(膠筒、擋圈、銅環(huán)、膨脹環(huán)等)、鎖緊機(jī)構(gòu)(鎖環(huán))、坐封機(jī)構(gòu)(活塞、活塞套等)、心軸等組成，如圖1所示。銅環(huán)的主要作用是在封隔器下井過(guò)程中有效保護(hù)膠筒，實(shí)現(xiàn)封隔器的順利下入。在封隔器坐封過(guò)程中，銅環(huán)均勻地?cái)D壓膠筒，且銅環(huán)發(fā)生變形，套管內(nèi)壁與銅環(huán)之間的間隙隨著膠筒擠壓力增大而減小，即可有效提高膠筒高壓密封的可靠性[6-8]。三膠筒結(jié)構(gòu)為兩端膠筒硬，中間膠筒偏軟，合理的膠筒結(jié)構(gòu)和尺寸保證了膠筒與套管，膠筒與中心管之間高壓密封的可靠性。

1—心軸；2—調(diào)節(jié)套；3—定位銷(xiāo)釘；4—O形密封圈；5—銅環(huán)；6—膠筒Ⅱ；7—膠筒Ⅰ；8—?dú)w環(huán)；9—活塞；10—定位銷(xiāo)；11—剪切銷(xiāo)釘；12—鎖環(huán)；13—活塞套；14—O形密封圈；15—O形密封圈；16—防轉(zhuǎn)銷(xiāo)釘。

2 工作原理

封隔器下入井筒預(yù)定位置，投球堵封后，開(kāi)始加液壓。液體通過(guò)傳壓孔進(jìn)入環(huán)空內(nèi)。在液壓的作用下，活塞受坐封壓力而軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓力達(dá)到或超過(guò)銷(xiāo)釘?shù)募羟辛r(shí)，剪切銷(xiāo)釘被剪斷，此時(shí)，活塞帶動(dòng)歸環(huán)向上作軸向運(yùn)動(dòng)；由于鎖環(huán)和活塞連接處為鋸齒型螺紋且螺紋鋸齒方向向上，使得歸環(huán)擠壓膠筒到極限位置后不能返回?；钊苿?dòng)，壓縮封隔器膠筒，使其徑向膨脹并封隔套管。同時(shí)，單向鎖緊機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖，使膠筒永久處于徑向膨脹狀態(tài)，封隔器實(shí)現(xiàn)有效密封。

該類(lèi)封隔器只有密封功能，無(wú)錨定機(jī)構(gòu)，所以解封時(shí)只需直接上提管柱，使上提力大于摩擦力即可，當(dāng)上提到一定距離后，由于膠筒與套管壁的摩擦使膠筒損壞，實(shí)現(xiàn)完全解封。

3 功能特點(diǎn)

1) 封隔器長(zhǎng)度較短，容易通過(guò)曲率半徑小、狗腿度大的井眼。

2) 坐封簡(jiǎn)單可靠，便于現(xiàn)場(chǎng)操作。

3) 封隔器采用帶上下銅環(huán)的三膠筒式密封結(jié)構(gòu)，可有效降低封隔器下入遇阻的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可提高封隔器坐封后的密封可靠性。

4) 封隔器內(nèi)通徑較大，可以滿足較多系列尺寸工具的下入。

4 技術(shù)參數(shù)

三膠筒隔離封隔器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 三膠筒隔離封隔器的技術(shù)參數(shù)

5 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

5.1 膠筒高度

根據(jù)封隔器設(shè)計(jì)資料得近似計(jì)算膠筒高度公式[14]：

(1)

式中：h為膠筒高度，mm；Δp為膠筒壓力，取Δp=35 MPa；Rt為套管內(nèi)半徑，取Rt=110.25 mm；R1為膠筒外半徑，取R1=104 mm；[τ]為膠筒許用剪切應(yīng)力，取[τ]=3 MPa；f為膠筒與套管的摩擦因數(shù)；p0為預(yù)壓力，取0；μ為泊松比，取0.475。

故膠筒高度最小尺寸為：

(2)

為保證膠筒工作可靠性以及安裝尺寸，取膠筒高度h=175.4 mm。此時(shí)膠筒實(shí)際剪切應(yīng)力為：

(3)

故許用剪切應(yīng)力的安全系數(shù)大于2，合格。

5.2 坐封行程

參考文獻(xiàn)[15]，得到圓筒型橡膠彈簧的理想軸向形變量δ的計(jì)算公式為：

(4)

式中：δ為膠筒軸向變形量，m；F為膠筒的坐封力，N；d2為膠筒外徑，m；d1為膠筒內(nèi)徑，m；Ea為表觀彈性模量；取27.2 MPa。

假設(shè)膠筒變形理想，當(dāng)膠筒全部貼合在套管壁上的瞬間，計(jì)算膠筒的軸向最小行程為h1：

(5)

式中：d3為套管內(nèi)徑，mm。

為保證坐封時(shí)能夠承壓24.13 MPa(3 500 psi)，保壓10 min，壓力不降，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取膠筒與套管單邊過(guò)盈配合3 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)坐封隔離封隔器試驗(yàn)數(shù)據(jù)，坐封壓力17.24 MPa (2 500 psi)，驗(yàn)封壓力34.47 MPa (5 000 psi)時(shí)，實(shí)際測(cè)量活塞坐封膠筒的行程為54 mm(不考慮工具結(jié)構(gòu)的裝配間隙和膠筒的不完全規(guī)則形狀)，根據(jù)公式可反推計(jì)算膠筒在坐封后的過(guò)盈壓縮量(直徑變化量)：

(6)

(7)

d=226.62 mm

(8)

針對(duì)47#的244.5 mm套管(內(nèi)徑220.5mm)，坐封后過(guò)盈壓縮量為226.62-220.5=6.12 mm，即單邊約過(guò)盈3 mm，與設(shè)計(jì)值相符。根據(jù)坐封行程54 mm，設(shè)計(jì)活塞有效行程73 mm，密封有效最大行程80 mm，鎖環(huán)最大行程85 mm，確保工具能夠坐封且密封可靠。

5.3 膠筒坐封推力

根據(jù)圓筒型橡膠彈簧的理想軸向形變量δ的計(jì)算公式求解坐封推力：

(9)

(10)

據(jù)以上求解結(jié)果可知，當(dāng)前所設(shè)計(jì)膠筒和坐封結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，考慮一定安全因素，取安全系數(shù)為2，故可提供實(shí)際坐封推力為2×F=250 812 N

5.4 膠筒應(yīng)力

在當(dāng)前所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸下，根據(jù)坐封工況的實(shí)際坐封推力，求解坐封壓力為：

(11)

式中：Sh為活塞面積，mm2。

設(shè)計(jì)活塞面外徑194 mm，內(nèi)徑149 mm，則：

(12)

據(jù)以上求解結(jié)果可知，封隔器可獲得的最大坐封推力為250 812 N，此時(shí)膠筒應(yīng)力為：

(13)

式中：Sj為膠筒受力面積，mm2。

壓縮后膠筒外徑220.5 mm，內(nèi)徑155.8 mm，計(jì)算得σ=13.1 MPa<29 MPa，膠筒強(qiáng)度滿足要求。

6 試驗(yàn)與應(yīng)用

為驗(yàn)證三膠筒隔離封隔器的坐封、密封承壓、解封可靠性，以及剪切銷(xiāo)釘能否在特定的壓力下實(shí)現(xiàn)剪切、活塞動(dòng)作靈活性、鎖環(huán)的自鎖性能穩(wěn)定性等，設(shè)計(jì)了如圖2所示的試驗(yàn)工裝。

該工裝下部的左旋方扣連接隔離封隔器中心管的上部，主軸外套與244.5 mm(9英寸)的套管連接，這樣隔離封隔器、套管、試驗(yàn)工裝三者相互連接。通過(guò)主軸上部連接的試壓頭加壓進(jìn)行封隔器坐封，通過(guò)密封套上的加壓孔進(jìn)行封隔器上環(huán)空驗(yàn)封。

圖2 隔離封隔器試驗(yàn)工裝

試驗(yàn)結(jié)果:正反向驗(yàn)封壓力都達(dá)到41.36 MPa(6 000 psi)，超過(guò)試驗(yàn)最初要求的34.47 MPa(5000 psi)的20%，并且無(wú)漏壓，表明膠筒滿足設(shè)計(jì)要求。本次試驗(yàn)活塞運(yùn)動(dòng)40 mm，距離其最大行程85 mm仍有45 mm余量，活塞的坐封行程滿足設(shè)計(jì)要求。隔離封隔器坐封后鎖環(huán)未出現(xiàn)倒齒現(xiàn)象，自鎖狀態(tài)合格，解封后的隔離封隔器如圖3所示。

圖3 解封后的隔離封隔器

新型隔離封隔器研制完成后，已在渤海、南海等油田成功應(yīng)用30多井次，共80多套，尤其在一趟多層礫石充填分層作業(yè)時(shí)坐封、驗(yàn)封性能均良好。

7 結(jié)論

1) 三膠筒隔離封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，坐封、驗(yàn)封和解封安全可靠。銅環(huán)可防止膠筒撕裂。

2) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了隔離封隔器的密封性能、銷(xiāo)釘剪切力、活塞的運(yùn)動(dòng)和密封性，鎖環(huán)的自鎖性能均達(dá)到使用要求。

3) 三膠筒封隔器適用于一趟多層防砂工藝，提高防砂系統(tǒng)的可靠性。在完井防砂領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。