稠油熱采工藝配套緊湊型連續(xù)管懸掛密封裝置的研制

傅登偉，邱福壽，翟亞鋒，蒙永立

1.新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000

2.西部鉆探工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000

稠油熱力開采過程中，常常要依靠連續(xù)管井下測試來掌握井下溫度和壓力，實現(xiàn)溫壓調(diào)控，從而調(diào)整生產(chǎn)工藝。而在實際作業(yè)過程中，原有的連續(xù)管井口密封器存在以下問題：

（1） 因空間位置受限，原密封裝置無法安裝在火驅(qū)觀察井。

（2） 因法蘭不配套，原密封裝置無法安裝在新型SAGD 生產(chǎn)井。

（3） 因空間位置受限，無法配套帶壓提下密封裝置供作業(yè)使用。

針對存在的上述問題，研制了兩種規(guī)格型號 （φ19 mm 、φ32mm） 的緊湊型連續(xù)管井口懸掛密封器。解決了井口空間位置較小情況下連續(xù)管的懸掛密封問題，并且可配套帶壓提下裝置作業(yè)，為超稠油熱力開采工藝提供必要的井口設(shè)備支持。

1 工藝概述

稠油熱采井井下測試工藝裝置如圖1 所示，主要包括注入頭、懸掛密封裝置、控制閘閥、工字法蘭等。當(dāng)對井下進行溫壓測試時，連接注入頭，打開控制閘閥，下入測試連續(xù)管進行溫壓測試作業(yè)。測試作業(yè)完成后，上提連續(xù)油管，拆卸注入頭，關(guān)閉控制閘閥，安裝緊湊型連續(xù)管井口懸掛密封器。緊湊型連續(xù)管懸掛密封裝置實現(xiàn)對測試連續(xù)管的懸掛及密封，保證測試連續(xù)管靜態(tài)密封的可靠性[1]。

圖1 井下測試工藝裝置示意

2 懸掛密封器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)測試工藝需要，對密封裝置的現(xiàn)場工況進行調(diào)研，確定設(shè)計參數(shù)[2]，密封桿柱直徑為19/32mm、額定工作壓力為21 MPa，熱工況最高工作壓力為14 MPa，熱工況最高工作溫度為240℃，介質(zhì)為油、氣、水。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)測試工藝方案，緊湊型連續(xù)管懸掛密封器需要實現(xiàn)連續(xù)管的靜態(tài)密封和懸掛功能，初步設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測試管懸掛密封裝置初設(shè)示意

該密封裝置由壓帽、盤根、卡瓦座、上下單級卡瓦構(gòu)成，壓帽與卡瓦座通過螺紋連接，螺紋壓緊盤根，滿足連續(xù)管測試作業(yè)時的靜密封，同時通過兩個單向卡瓦，實現(xiàn)連續(xù)管的懸掛。

考慮到現(xiàn)場作業(yè)高度和產(chǎn)品的整體性要求，對初步設(shè)計的懸掛密封裝置進行了結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 緊湊型連續(xù)油管懸掛密封器結(jié)構(gòu)示意

優(yōu)化后的懸掛密封裝置設(shè)計耳式壓盤及懸掛體結(jié)構(gòu)，兩者通過螺紋連接，解決了整個裝置安裝的空間位置限制。同時通過石墨盤根與銅隔環(huán)結(jié)合方式，采用螺栓壓板式盤根密封，并可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)耳式壓盤壓緊螺帽，保證密封可靠。采用雙向卡瓦結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)管的懸掛。

3 關(guān)鍵零部件的三維建模及強度校核

3.1 三維建模及定義

采用Solidworks 進行實體建模，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔模和剪切的功能對懸掛密封器主要承壓部件盤根盒體、懸掛體進行模型建立，如圖4 所示。

圖4 盤根盒體、懸掛體有限元模型

3.2 條件約束及載荷施加

通過Workbench 軟件對模型進行有限元模擬分析。根據(jù)流體走向，施加X 和Y 方向約束，在底部施加軸向Z 方向位移約束和X、Y 方向的旋轉(zhuǎn)約束。利用軟件中的Auto GEM（自動網(wǎng)格劃分器）工具將模型自動劃分為四面體有限元網(wǎng)格單元。

盤根盒體主要承受的載荷有壓力載荷，其額定工作壓力即設(shè)計壓力為21 MPa，施加在內(nèi)表面。端部連接的外部軸向載荷詳見各端部的應(yīng)力分析邊界條件，壓力載荷為介質(zhì)接觸表面的均布載荷[3]。

懸掛體除承受盤根盒體相同的載荷外，還承受螺栓載荷[4]。

由閥門設(shè)計計算手冊知，鋼圈在操作狀態(tài)下需要的最小壓緊力Fp為[5]：

最小螺栓載荷Wp1按下式計算：

式中：Dg為鋼圈壓緊力作用中徑，mm；b 為鋼圈有效密封面寬度，b=ω/8，ω 為密封環(huán)寬度，mm，按設(shè)計取值；m 為墊片系數(shù)，按手冊取m=5.5；p為最高試驗壓力，MPa。

根據(jù)懸掛密封器的力學(xué)性能，確定材料選用30 CrMo，鍛造成型，材料的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 材料屬性

3.3 分析計算及結(jié)果

通過Workbench 軟件對主要承壓零部件盤根盒體、懸掛體進行仿真模擬分析，分析結(jié)果云圖如圖5、圖6 所示。

圖5 盤根盒體有限元分析結(jié)果

圖6 懸掛體有限元分析結(jié)果

由計算得到盤根盒體最大應(yīng)力為48.2 MPa，懸掛體最大應(yīng)力為34.5MPa，均小于許用應(yīng)力276MPa，可判定其強度是安全的。

4 室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1 室內(nèi)試驗

完成裝置加工及組裝，并進行室內(nèi)密封試驗、卡瓦懸掛試驗。裝置組裝及試驗如圖7 所示。

（1） 室內(nèi)密封試驗。對懸掛密封器進行室內(nèi)密封試驗，試驗介質(zhì)為清水，根據(jù)最高工作壓力確定試驗壓力21 MPa，試驗次數(shù)2 次，保壓5 min，試驗曲線如圖8 所示。

圖7 裝置室內(nèi)試驗

圖8 室內(nèi)密封試驗曲線

從圖8 中可看出，保壓期5 min 內(nèi)，曲線平穩(wěn)，可判定期間均無可見滲漏，驗證了裝置的密封效果。

（2） 卡瓦懸掛試驗。對懸掛密封器的卡瓦進行懸掛試驗，用拉力機對連續(xù)管施加載荷，觀測卡瓦是否能支撐，結(jié)果如表2 所示。

表2 懸掛機構(gòu)試驗

從表2 可以看出：每組試驗結(jié)果卡瓦無滑脫、無損傷，證明了卡瓦懸掛的可靠性。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

近年來，在火驅(qū)觀測井口安裝4 井次（FHG003、FHG004、FHG011、FHG012 井），SAGD 帶壓作業(yè)井口安裝2 井次（FHW3044P、FHW3045P 井），解決了在狹小空間測試連續(xù)管懸掛密封的技術(shù)難題。通過現(xiàn)場跟蹤驗證，懸掛密封安全可靠，并且緊湊型懸掛密封器生產(chǎn)加工成本大大降低（同原來的懸掛密封器比較，加工費用由4 800 元降為1 000 元），結(jié)構(gòu)緊湊且作業(yè)方便快捷（安裝時間由原來的1 h 縮短到20 min）。

5 結(jié)論

本文根據(jù)測試工藝的需求，研制適合的緊湊型連續(xù)管井口懸掛密封器，完成了圖紙繪制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。采用三維軟件進行實體建模，利用Workbench 軟件進行模擬分析，對其進行應(yīng)力應(yīng)變校核，其強度符合要求。通過室內(nèi)、試驗和現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了該裝置的可靠性，為超稠油熱力開采工藝提供必要的井口設(shè)備支持。