新型高溫高壓封隔器組合式膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

閆志遠(yuǎn)，張 斌，吳永朝，白元彬，包陳義，唐馬勇 ，李小嶺

(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)

南海西部油田和渤海19-6油田有約60%油氣層的溫度超過160 ℃，壓力超過35 MPa，完井封隔器多使用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。投產(chǎn)一段時(shí)間后，部分封隔器的膠筒失效，使環(huán)空帶壓，給生產(chǎn)造成嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高溫高壓封隔器，大部分膠筒達(dá)不到國(guó)外產(chǎn)品的水平，缺乏系統(tǒng)研究，其在推廣過程中會(huì)給客戶帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。面對(duì)紛繁復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)和國(guó)外核心技術(shù)的壟斷、封鎖，攻關(guān)可耐高溫160 ℃以上和耐高壓35 MPa以上的密封膠筒核心技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫，是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)高端完井封隔器的首要技術(shù)前提。

筆者研究出一套適合海上?244.5 mm套管、耐溫170 ℃、耐壓41 MPa的組合式膠筒，解決了國(guó)內(nèi)膠筒難以突破API 11D1-V3等級(jí)溫度和壓力交替測(cè)試的技術(shù)難題，滿足了海上部分高溫高壓油氣藏安全開發(fā)的作業(yè)需要。

1 組合式膠筒設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及選材

筆者基于中海油完井封隔器的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種三膠筒組合結(jié)構(gòu)的封隔器膠筒，如圖1所示。

中間膠筒起承壓密封作用。兩邊膠筒采用金屬絲網(wǎng)硫化橡膠結(jié)構(gòu)，為中間膠筒提供肩部保護(hù)。中間膠筒材料為邵氏硬度80～85的Aflas材料。兩邊膠筒選擇316L鋼絲的金屬絲網(wǎng)、錫青銅的銅環(huán)和邵氏硬度90～95的Aflas材料，硫化為一體。

圖1 三膠筒組合式封隔器膠筒結(jié)構(gòu)

1.2 關(guān)鍵尺寸和參數(shù)計(jì)算

1) 膠筒外表面與套管內(nèi)壁之間最大許用間隙μmax。

式中：[ε]為彈性體許用相對(duì)軸向變形，%，可用試驗(yàn)方法求得，其大小取決于材質(zhì)和工作條件；R1為膠筒最大外半徑，mm；R0為膠筒最下內(nèi)半徑，mm。

2) 膠筒的最小高度h。

式中：Δp為封隔器承受的工作(層間)壓差，MPa；RC為套管內(nèi)半徑或井半徑，mm；R1為膠筒最大外半徑，mm；P0為沿徑向作用于膠筒上分布力的強(qiáng)度，MPa；[τ]為橡膠許用剪切應(yīng)力，MPa；μ為橡膠的泊松比；f為中心管與膠筒之間的摩擦因數(shù)。

3) 封隔器在相應(yīng)壓差下的最小坐封載荷Fmin。

式中：A1為膠筒變形后的橫截面積，mm2；G為橡膠的抗剪彈性模量，MPa；η為膠筒的縱向變形量；Fmin為封隔器最小坐封載荷，N。

依托上述公式，計(jì)算得到基準(zhǔn)參數(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)膠筒外徑時(shí)，考慮封隔器下入時(shí)不磨損膠筒的安全間隙為1～5 mm，其內(nèi)徑考慮0～4%的預(yù)拉伸安裝余量，得到膠筒的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 封隔器膠筒主要技術(shù)參數(shù)

2 膠筒有限元模擬分析

封隔器膠筒結(jié)構(gòu)的有限元分析屬于非線性有限元范疇[5-7]，其非線性突出地表現(xiàn)在材料非線性、幾何非線性和邊界非線性3個(gè)方面，密封計(jì)算的邊界條件復(fù)雜，必須包含接觸面的受力計(jì)算，呈非線性關(guān)系。采用ABAQUS軟件，考慮大變形、非線性等相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行建模分析。

2.1 建立模型

首先，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料和邊界條件的特點(diǎn)，建立封隔器膠筒的二維軸對(duì)稱模型。然后，根據(jù)膠筒的工作原理，中間膠筒起主要密封作用，邊膠筒起肩保作用，考慮到金屬絲網(wǎng)硫化Aflas橡膠復(fù)合材料的復(fù)雜性和簡(jiǎn)化為單一材質(zhì)對(duì)膠筒整體性能的影響較小。因此，將邊膠筒材質(zhì)簡(jiǎn)化為Aflas。中膠筒與邊膠筒材料均為超彈性材料。采用Mooney-Reivlin本構(gòu)模型，查得橡膠材料的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 Mooney-Reivlin本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)

2.2 設(shè)置邊界和劃分網(wǎng)格

膠筒分析載荷主要為壓縮坐封，坐封力為253.23 kN±25.32 kN，為了更好地模擬坐封壓力，通過對(duì)壓環(huán)施加位移載荷，經(jīng)分析后提取坐封方向力值來(lái)驗(yàn)證坐封力及坐封后的密封情況。中心管內(nèi)側(cè)及套管外側(cè)施加位移固定，位移量U1=U2=UR3=0 mm。底部邊膠筒通過壓塊施加位移固定，位移量U1=U2=UR3=0 mm。膠筒與中心管及套管之間摩擦因數(shù)取0.3。分別對(duì)中膠筒、邊膠筒進(jìn)行拆分，使用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格。其中，中膠筒、邊膠筒采用4節(jié)點(diǎn)CAX4RH單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，中心管、套管采用CAX4R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。模型共劃分單元數(shù)10 725，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 封隔器膠筒網(wǎng)格模型

2.3 施加坐封力分析

分別對(duì)90 ℃與170 ℃情況下膠筒施加不同的位移載荷，后提取RF2力值。得出90 ℃施加38 mm位移后，等效加載力為2.59×105N。170 ℃施加47 mm位移，等效加載力為2.63×105N。兩種情況下能夠完成坐封。分別提取90 ℃與170 ℃情況下膠筒坐封完成后應(yīng)力分布云圖，如圖3～4所示。

圖3 90 ℃封隔器膠筒接觸應(yīng)力云圖

圖4 170 ℃封隔器膠筒接觸應(yīng)力云圖

90 ℃與170 ℃情況下邊膠筒與中膠筒最大應(yīng)力為10.3 MPa，小于Aflas材料斷裂強(qiáng)度20 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

中膠筒與中心管、套管接觸應(yīng)力在路徑A-B，C-D，E-F段的分布情況如圖5～6所示。

圖5 封隔器中膠筒接觸應(yīng)力路徑

圖6 封隔器坐封后接觸應(yīng)力云圖

封隔器坐封到位后，邊膠筒與中膠筒及中心管套管之間能夠形成良好的接觸，90 ℃與170 ℃時(shí)最大接觸應(yīng)力分別為38.07、21.90 MPa，滿足初始密封的需要。

2.4 環(huán)空加壓分析

以下部環(huán)空為例，增加41 MPa壓力后，對(duì)膠筒進(jìn)行分析，Mises應(yīng)力分布如圖7～10所示。

圖7 90 ℃ 整體膠筒Mises應(yīng)力云圖

圖8 90 ℃中膠筒Mises應(yīng)力云圖

圖9 170 ℃ 整體膠筒Mises應(yīng)力云圖

圖10 170 ℃中膠筒Mises應(yīng)力云圖

分析可見90 ℃與170 ℃情況下，邊膠筒與中膠筒最大應(yīng)力為13.0 MPa，小于Aflas材料斷裂強(qiáng)度20 MPa，滿足強(qiáng)度要求。中膠筒與中心管、套管接觸應(yīng)力在A-B，C-D，E-F段的分布情況如圖11所示。

圖11 封隔器坐封后接觸應(yīng)力分布

由圖11可看出，封隔器膠筒承受下環(huán)空壓力41 MPa。

1) 90 ℃情況下，中膠筒與套管密封主要在E-F段，最大接觸應(yīng)力為62.6 MPa，超過41 MPa的接觸應(yīng)力長(zhǎng)度即有效密封長(zhǎng)度為19.8 mm。中膠筒與中心管密封主要在A-B段，最大接觸應(yīng)力為64.35 MPa，超過41 MPa的接觸應(yīng)力長(zhǎng)度即有效密封長(zhǎng)度為16.7 mm。中膠筒能夠?qū)崿F(xiàn)與套管及中心管的密封。

2) 170 ℃情況下，中膠筒與套管密封主要在E-F段，最大接觸應(yīng)力為43.85 MPa，超過41 MPa的接觸應(yīng)力長(zhǎng)度即有效密封長(zhǎng)度為9.76 mm。中膠筒與中心管密封主要在A-B段，最大接觸應(yīng)力為43.6 MPa，超過41 MPa的接觸應(yīng)力長(zhǎng)度，即有效密封長(zhǎng)度為8.6 mm。

3) 與90 ℃情況對(duì)比，170 ℃下中膠筒與套管及中心管的最大接觸應(yīng)力及有效密封長(zhǎng)度均減小，但仍能夠?qū)崿F(xiàn)與套管及中心管的密封。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 API 11D1-V3級(jí)性能測(cè)試

為了驗(yàn)證組合式膠筒的有效坐封力、耐溫和耐壓能力，文章選擇最小磅級(jí)套管的最大內(nèi)徑?227.7 mm，首先加溫至170 ℃，保溫1 h后施加坐封載荷253.23 kN±25.32 kN，然后進(jìn)行高低溫交變90～170 ℃下3個(gè)循環(huán)的承壓能力測(cè)試，記錄其上、下環(huán)空的驗(yàn)封壓力曲線如圖12～13所示。

圖12 上環(huán)空的驗(yàn)封壓力顯示界面

圖13 下環(huán)空的驗(yàn)封壓力顯示界面

3輪次壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 3輪次壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)3個(gè)輪次170 ℃-90 ℃-170 ℃高低溫交變?cè)囼?yàn)，上、下環(huán)空各有2次反轉(zhuǎn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)組合式膠筒在施加253.23 kN坐封載荷時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)膠筒上、下環(huán)空密封41 MPa，滿足高溫高壓封隔器配套使用需要。

3.2 模擬井試驗(yàn)

2018-03，將研制的組合式膠筒組裝到封隔器上，下入JJSY-1試驗(yàn)井，對(duì)坐封工具加壓力17.2 MPa，坐封工具推筒輸出253.2 kN推力，將封隔器坐封。入井1 100 m進(jìn)行坐封和驗(yàn)封試驗(yàn)，記錄其相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，如表4。

表4 膠筒模擬井試驗(yàn)參數(shù)

經(jīng)入井測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該組合式膠筒可匹配高溫高壓封隔器及其配套坐封工具，滿足坐封、驗(yàn)封和回收的作業(yè)需要。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2018-05至今，累計(jì)組裝了4套組合式膠筒的封隔器，在南海西部油田和渤海油田應(yīng)用，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 三膠筒組合封隔器應(yīng)用數(shù)據(jù)

從表5的數(shù)據(jù)看出，研制的組合式三膠筒匹配封隔器，可滿足層間封隔和防砂完井的作業(yè)需要，保證井筒封隔的可靠性和安全性。

5 結(jié)論

1) 研制了耐高溫高壓的完井封隔器膠筒。該膠筒采用特殊的三膠筒組合結(jié)構(gòu)，計(jì)算了主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

2) 建立有限元分析模型，在90 ℃與170 ℃情況下膠筒坐封，坐封后施加上環(huán)空與下環(huán)空壓差41 MPa，進(jìn)行應(yīng)力及接觸應(yīng)力分析。

3) 通過API 11D1-V3等級(jí)3個(gè)輪次170 ℃-90 ℃-170 ℃高低溫交變和壓力反轉(zhuǎn)測(cè)試，證明組合式膠筒在施加253.23 kN坐封載荷時(shí)，可以密封上、下環(huán)空壓力41 MPa，滿足高溫高壓封隔器配套使用需要。

4) 通過下井試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該組合式三膠筒匹配封隔器及其坐封工具，滿足層間封隔和防砂完井的作業(yè)需要，保證井筒封隔的可靠性和安全性。