套管磨損對(duì)封隔器密封性能的影響*

王捷力 高寶奎 馬超 陳興旺

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院)

0 引 言

在中國(guó)西部油氣井鉆井過(guò)程中，多口超深井出現(xiàn)了嚴(yán)重的套管磨損，在某些特殊情況下，封隔器不得不在套管磨損段進(jìn)行坐封。良好的密封效果可以保證油氣井的安全生產(chǎn)以及作業(yè)效率[1-3]。封隔器作為重要的密封工具，其核心部件為膠筒，膠筒與套管之間的接觸壓力是評(píng)價(jià)封隔器密封效果的主要參數(shù)[4]。目前，針對(duì)封隔器膠筒的研究主要包括數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗(yàn)。劉旭輝等[5]對(duì)壓縮式封隔器正常套管段與射孔段套管坐封進(jìn)行了有限元分析。付道明[6]利用數(shù)值模擬方法分析了封隔器的坐封過(guò)程，得到了膠筒壓縮距與接觸應(yīng)力變化的規(guī)律。HU G.等[7]對(duì)橡膠材料的本構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)選，分析了不同橡膠材料、厚度和坐封力對(duì)壓縮式封隔器密封性能的影響。HUANG Y.等[8]研究了溫度對(duì)橡膠本構(gòu)模型的影響，結(jié)果表明膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力會(huì)隨溫度升高而增大。MA W.G.等[9]研究了摩擦因數(shù)對(duì)封隔器密封性能的影響，發(fā)現(xiàn)減小摩擦因數(shù)能夠增大膠筒最大接觸壓力。LIU Z.Y.等[10]分析了膠筒腐蝕前、后的力學(xué)特性以及封隔器在套管膨脹或收縮后的密封性能，套管膨脹會(huì)導(dǎo)致封隔器坐封滯后或松弛，套管收縮會(huì)導(dǎo)致封隔器提前坐封甚至應(yīng)力破壞。E.C.PRADIE等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)在腐蝕套管中坐封了膨脹式封隔器，發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)壁的凹槽和點(diǎn)狀腐蝕均被膠筒填充。R.INNES等[12]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，模擬高溫高壓環(huán)境，成功在月牙磨損套管中坐封了永久式封隔器，并對(duì)坐封后的密封性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明在磨損套管中膠筒能夠?qū)崿F(xiàn)有效密封。我國(guó)西部油田也有在磨損套管中坐封封隔器并成功進(jìn)行完井作業(yè)的先例。

現(xiàn)有研究系統(tǒng)考慮了封隔器的膠筒材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及工作參數(shù)對(duì)接觸壓力的影響，但未發(fā)現(xiàn)利用數(shù)值模擬來(lái)研究套管磨損對(duì)膠筒接觸壓力影響的報(bào)道。為了分析套管磨損段膠筒的力學(xué)行為，本文以單膠筒壓縮式封隔器為例，分別建立均勻磨損、月牙磨損和復(fù)合磨損3種套管磨損模型，利用數(shù)值模擬方法詳細(xì)研究了膠筒與3種磨損套管之間的接觸壓力以及膠筒與中心管的接觸狀態(tài)。所得結(jié)論可為磨損套管段封隔器的密封性能綜合評(píng)價(jià)提供參考。

1 封隔器結(jié)構(gòu)及數(shù)值建模

封隔器種類(lèi)結(jié)構(gòu)多樣，根據(jù)其工作原理可分為擴(kuò)張式、壓縮式和自封式等。本文選用常規(guī)YS-114型壓縮式封隔器進(jìn)行模擬分析。實(shí)際封隔器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了進(jìn)行有限元計(jì)算，將封隔器簡(jiǎn)化為中心管、上支撐環(huán)、下支撐環(huán)和膠筒等4個(gè)主要部件。圖1為封隔器剖面結(jié)構(gòu)圖。

當(dāng)封隔器下至預(yù)定井深，通過(guò)上部管柱傳遞軸向載荷下壓上支撐環(huán)，推動(dòng)上支撐環(huán)沿中心管軸向移動(dòng)，膠筒發(fā)生徑向膨脹，與套管內(nèi)壁接觸，由于受到套管約束，膠筒填滿(mǎn)中心管與套管之間的環(huán)形空間。

1—上支撐環(huán)；2—套管；3—膠筒；4—中心管；5—下支撐環(huán)。

在計(jì)算分析中，取套管外徑為139.7 mm，壁厚為9.14 mm。中心管、支撐環(huán)和套管均為鋼材，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.25。O.H.YEOH[13]模型能夠精確地描述橡膠材料的大變形行為，在工程分析中應(yīng)用較多，因此本文選用該模型來(lái)描述封隔器膠筒的橡膠特性。

模擬中超彈性常數(shù)取值如下：C10=3.429 7 MPa，C20=-3.361 7 MPa，C30=2.200 5 MPa。封隔器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 封隔器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

依據(jù)封隔器結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立如圖2a所示的封隔器三維結(jié)構(gòu)模型。建模時(shí)在ANSYS軟件中進(jìn)行如下設(shè)置：

(1)網(wǎng)格劃分，將膠筒劃分為四面體網(wǎng)格，其余部件為六面體網(wǎng)格，提升網(wǎng)格整體相關(guān)度，得到如圖2b所示的封隔器有限元模型；

圖2 封隔器三維模型Fig.2 3D model of packer

(2)邊界條件，依據(jù)井下工況，對(duì)上支撐環(huán)施加向下的軸向載荷，下支撐環(huán)與中心管不發(fā)生相對(duì)位移；

(3)套管沒(méi)有徑向位移；

(4)封隔器各部件之間存在摩擦因數(shù)，設(shè)定膠筒與其他金屬部件間的摩擦因數(shù)均為0.1。

2 套管磨損幾何模型

根據(jù)測(cè)井所得的磨損解釋圖，套管內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的磨損現(xiàn)象。本文分別建立均勻磨損、月牙磨損和復(fù)合磨損3種套管磨損模型，其中復(fù)合磨損模型為套管內(nèi)壁發(fā)生均勻磨損下的月牙磨損[14-19]。3種套管磨損模型如圖3所示。其中r為套管初始內(nèi)半徑，r1為鉆桿接頭外半徑，t為均勻磨損深度，t1為月牙磨損深度。

圖3 套管磨損模型Fig.3 Casing wear model

取鉆桿接頭外徑為111.1 mm。為了對(duì)磨損套管段膠筒力學(xué)行為進(jìn)行綜合分析，建立如表2所示的3種磨損模型下的不同磨損深度組合。表2中“+”前、后的數(shù)字分別代表均勻磨損深度和均勻磨損下的月牙磨損深度。

表2 磨損深度組合Table 2 Wearing depth combination

3 套管磨損段膠筒力學(xué)分析

在套管磨損段膠筒力學(xué)分析中，對(duì)封隔器施加80 kN的軸向載荷，分析膠筒與套管和中心管之間的接觸行為。

3.1 膠筒與套管接觸分析

在封隔器坐封后，提取膠筒在套管磨損部位最深處沿軸向分布的接觸壓力，以及膠筒在中間截面位置處沿周向分布的接觸壓力值，得到膠筒與套管之間沿軸向和周向變化的接觸壓力分布曲線。

3.1.1 均勻磨損的影響

取套管均勻磨損深度分別為0和1 mm 兩種情況，得到膠筒與套管之間的接觸壓力分布曲線。模擬結(jié)果顯示：膠筒在某一確定位置沿周向分布的接觸壓力均相同；在膠筒中部位置，隨著磨損深度的增大，沿周向分布的接觸壓力減小明顯。圖4為膠筒與套管間沿軸向分布的接觸壓力曲線。

圖4 膠筒與套管間沿軸向分布的接觸壓力曲線Fig.4 Contact pressure of rubber barrel and casing distributed in axial direction

由圖4可知，沿軸向分布的接觸壓力變化曲線呈“馬鞍狀”分布，表現(xiàn)為靠近加載端的接觸壓力大于遠(yuǎn)離加載端的接觸壓力。

3.1.2 月牙磨損的影響

取套管月牙磨損深度分別為1、2、3和4 mm，得到如圖5所示的接觸壓力分布曲線。圖5中周向角度為0°代表磨損溝槽最深處。

圖5 膠筒與月牙磨損套管之間的接觸壓力分布曲線Fig.5 Contact pressure distribution curve of rubber barrel and crescent wear casing

由圖5可以看出：①隨著磨損深度的增大，月牙溝槽的寬度也在增加，膠筒在切口兩側(cè)邊上出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；②當(dāng)磨損深度分別為1和2 mm時(shí)，最小接觸壓力出現(xiàn)在磨損溝槽最深處，從溝槽最深處到兩側(cè)，最小接觸壓力在磨損位置急劇增大，在無(wú)磨損位置增大緩慢；③當(dāng)磨損深度分別為3和4 mm時(shí)，接觸壓力在磨損位置處減小明顯，但是最小接觸壓力并沒(méi)有出現(xiàn)在磨損溝槽最深處，反倒出現(xiàn)了逆向增長(zhǎng)的現(xiàn)象；④未磨損位置處的接觸壓力隨著磨損深度的增加而增大；⑤隨著磨損深度的增加，沿軸向分布的接觸壓力分布逐漸從“馬鞍狀”變?yōu)椤肮盃睢?；⑥由圖5b中的虛線圈可知，上下端的部分膠筒在磨損部位未能與套管內(nèi)壁接觸。

3.1.3 復(fù)合磨損的影響

取不同組合下的復(fù)合磨損深度，得到如圖6所示的接觸壓力分布曲線。

圖6 膠筒與復(fù)合磨損套管之間的接觸壓力分布曲線Fig.6 Contact pressure distribution curve of rubber barrel and combined wear casing

由圖6可以看出：①?gòu)?fù)合磨損下的膠筒與套管之間的接觸壓力分布規(guī)律與月牙磨損相似，但在未磨損部位接觸壓力較月牙磨損時(shí)減小明顯；②在同一均勻磨損深度下，隨著月牙磨損深度的增大，月牙磨損位置處的接觸壓力變化幅度更大；③相比均勻磨損和月牙磨損，復(fù)合磨損導(dǎo)致的接觸壓力減小最為嚴(yán)重。

文獻(xiàn)[11]雖然沒(méi)有利用數(shù)值模擬法研究膠筒與磨損套管之間的接觸壓力，但其試驗(yàn)結(jié)果顯示，膠筒在月牙磨損溝槽處出現(xiàn)了明顯的外鼓現(xiàn)象，這與本文在數(shù)值模型計(jì)算下的膠筒變形結(jié)果一致。

3.2 膠筒與中心管接觸分析

在套管發(fā)生磨損后，套管與中心管的環(huán)形空隙體積增大，由于套管的不可壓縮特性，膠筒需要產(chǎn)生更大的變形才能填滿(mǎn)環(huán)形空隙，這必然也會(huì)影響膠筒與中心管之間的接觸狀態(tài)。為了綜合評(píng)價(jià)封隔器密封性能，本文對(duì)膠筒與中心管之間的接觸行為進(jìn)行了分析。

當(dāng)封隔器坐封后，分別取正常套管、月牙磨損4 mm套管以及復(fù)合磨損套管(均勻磨損1 mm+月牙磨損3 mm)，沿磨損位置最深處將模型結(jié)果對(duì)稱(chēng)切剖，得到膠筒的變形云圖，如圖7所示。在月牙磨損套管和復(fù)合磨損套管接觸計(jì)算模型中，沿套管未磨損部位將膠筒對(duì)稱(chēng)切剖，得到磨損位置處膠筒與中心管之間的接觸壓力云圖，如圖8所示。

由圖7與圖8可知：當(dāng)套管磨損后，膠筒變形所需的壓縮距明顯增大，其中復(fù)合磨損下所需的壓縮距最大；月牙磨損套管會(huì)導(dǎo)致膠筒在月牙磨損部位與中心管出現(xiàn)縫隙，復(fù)合磨損套管不僅導(dǎo)致膠筒與中心管在月牙磨損部位出現(xiàn)縫隙，而且在周向上也會(huì)出現(xiàn)縫隙；當(dāng)膠筒與中心管之間出現(xiàn)縫隙后，在磨損位置處僅靠上、下支撐環(huán)附近的部分膠筒來(lái)維持與中心管之間的密封作用。

圖7 不同套管下封隔器膠筒變形云圖Fig.7 Cloud chart for deformation of packer rubber used in different casings

圖8 膠筒與中心管之間接觸壓力云圖Fig.8 Cloud chart for contact pressure between rubber barrel and central tube

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)套管發(fā)生均勻磨損時(shí)，膠筒與套管沿軸向分布的接觸壓力曲線呈“馬鞍狀”分布，且接觸壓力整體減小。

(2)月牙磨損套管導(dǎo)致膠筒在磨損位置接觸壓力減小明顯，在磨損切口兩側(cè)邊出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)隨著套管月牙磨損深度的增加，膠筒在磨損最深處的接觸壓力并沒(méi)有持續(xù)減小，反倒出現(xiàn)了逆向增長(zhǎng)的現(xiàn)象；沿軸向分布的接觸壓力會(huì)逐漸從“馬鞍狀”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮盃睢狈植肌?/p>

(4)相比套管均勻磨損和月牙磨損，套管復(fù)合磨損導(dǎo)致膠筒的接觸壓力減小最為嚴(yán)重。

(5)套管月牙磨損和復(fù)合磨損會(huì)使膠筒與中心管在磨損部位出現(xiàn)縫隙，并且套管復(fù)合磨損導(dǎo)致的縫隙對(duì)膠筒與中心管之間的密封性能影響更為嚴(yán)重。