機(jī)械式大通徑尾管封隔器的研制及試驗(yàn)

孟凡華，張明，張啟龍，劉禹銘，趙克賢，閆偉

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

隨著石油行業(yè)分支井完井技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)TAML5[1-3]級完井[4-6]，在TAML5級完井分支井眼尾管固井作業(yè)中,由于尾管與上層套管重疊段不能形成有效密封,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常地層壓力或水泥漿失重產(chǎn)生的高壓油氣水侵入到未完全凝固的水泥漿內(nèi)形成竄流通道,致使油氣井在后期鉆進(jìn)或生產(chǎn)中井口帶壓影響施工,嚴(yán)重的可造成全井報(bào)廢甚至發(fā)生安全事故[7-9]。將尾管頂部封隔器技術(shù)應(yīng)用到分支井尾管固井作業(yè)中,可有效阻斷重疊段附近環(huán)空井段的壓力傳遞,阻止環(huán)空氣竄向上部運(yùn)移,提高固井質(zhì)量[10-12]。為達(dá)到以上目的，針對性的研制了9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

1 技術(shù)分析

1.1 設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器時(shí)，遵循以下設(shè)計(jì)原則：（1）工具最小內(nèi)徑大于等于172 mm；（2）確保膠筒在120℃下穩(wěn)定工作，不發(fā)生失效；（3）確保下壓27 t，工具能順利坐封；（4）封隔器密封壓力20 684 kPa以上。

1.2 工具結(jié)構(gòu)

9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器主要由回接筒、密封機(jī)構(gòu)、防退機(jī)構(gòu)等組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 工作原理

將該型封隔器下入到設(shè)計(jì)位置并完成下部懸掛器坐掛、注水泥固井等操作后，在送入鉆具重力的作用下，封隔器的膨脹錐向下楔入到可膨脹金屬骨架內(nèi)，使金屬骨架發(fā)生徑向形變，減小封隔器外徑與上層套管內(nèi)徑之間的間隙，將橡膠層擠壓到上層套管上形成可靠的環(huán)空密封[13-15]。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑：213 mm。

最小通徑：173 mm。

適用套管外徑：216.8～224.4 mm。

耐溫：150℃。

密封壓力：20 684 kPa。

坐封下壓噸位：27～30 t。

1.5 關(guān)鍵技術(shù)

將該型封隔器下入到設(shè)計(jì)位置并完成下部懸掛器坐掛、注水泥固井等操作后，在送入鉆具重力的作用下，封隔器的膨脹錐向下楔入到可膨脹金屬骨架內(nèi)，使金屬骨架發(fā)生徑向形變，減小封隔器外徑與上層套管內(nèi)徑之間的間隙，將橡膠層擠壓到上層套管上形成可靠的環(huán)空密封。

1.5.1 可膨脹技術(shù)骨架

9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器利用金屬膨脹技術(shù)設(shè)計(jì)出了膨脹式環(huán)空封隔技術(shù)，密封單元采用可膨脹金屬骨架式結(jié)構(gòu)，由膨脹金屬骨架上部硫化橡膠膠筒加工而成?？膳蛎浗饘俟羌芡鈧?cè)加工有多個(gè)不規(guī)則環(huán)形結(jié)構(gòu),并在不規(guī)則環(huán)形結(jié)構(gòu)表面硫化了橡膠層,可防止膠筒在承受較大軸向壓差時(shí)從金屬骨架脫落[16-17]。如圖2所示，該結(jié)構(gòu)外形尺寸較小,極大地降低了由于高循環(huán)排量引起抽吸作用而造成的封隔器提前坐封,其允許的井下環(huán)空流體循環(huán)排量最高可達(dá)2 .7 m3·min-1，降低了封隔器膠筒在入井過程中的機(jī)械損壞幾率，極大地提高了封隔器的可靠性。

圖2 膨脹式環(huán)空密封實(shí)物圖

1.5.2 防退技術(shù)

如圖3所示，該型封隔器的防退機(jī)構(gòu)采用雙面鋸齒卡環(huán)結(jié)構(gòu)，卡環(huán)內(nèi)外表面設(shè)計(jì)有鋸齒螺紋,內(nèi)部細(xì)齒螺紋與本體上的螺紋嚙合,起防止相對位移的作用,外表面粗齒螺紋與膨脹錐套上的螺紋相配合[18]。當(dāng)封隔器承受軸向壓差而產(chǎn)生回彈趨勢時(shí),膨脹錐套通過螺紋將卡簧壓緊在本體上,提高防退和承壓性能,降低封隔器回彈風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 防退機(jī)構(gòu)示意圖

2 工具強(qiáng)度校核

工具設(shè)計(jì)完成后，對工具關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證工具在井下實(shí)際工況下能否滿足強(qiáng)度要求，本工具在作業(yè)工程中主要受力部件為心軸，井下工況主要為抗拉和抗扭，因此，通過有限元軟件，分別模擬心軸的抗拉和抗扭情況，結(jié)合實(shí)際作業(yè)工況判斷工具安全性[19-21]。

2.1 有限元模型建立

封隔器心軸選用的材料為42CrMo，其屈服強(qiáng)度為930 MPa。心軸的有限元模型如圖4所示，通過前處理使其生成高質(zhì)量網(wǎng)格，該模型單元大小為17.242 1，單元總數(shù)為54 411，節(jié)總數(shù)為10 701。

圖4 機(jī)械式大通徑尾管封隔器心軸有限元模型

2.2 強(qiáng)度模擬校核

通過有限元方法分別對心軸的抗拉及抗扭強(qiáng)度進(jìn)行校核，其應(yīng)力分布情況如圖5所示：拉力為100 t時(shí)，最大屈服強(qiáng)度為509.4 MPa；扭矩為40 kN·m時(shí)，最大屈服強(qiáng)度為523.1 MPa，抗拉與抗扭強(qiáng)度都滿足要求。

圖5 心軸抗拉與抗扭測試時(shí)應(yīng)力分布情況

3 試驗(yàn)研究

3.1 膠筒高溫試驗(yàn)

膠筒高溫試驗(yàn)主要是驗(yàn)證皮碗式膠筒在高溫下的密封性能。如圖6所示，將高溫試驗(yàn)特制工裝與膠筒組合后置于高溫加熱筒中，加熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，在加熱筒中加熱至125℃；分別升高膠筒封隔區(qū)上部區(qū)間及下部區(qū)間壓力，驗(yàn)證密封性能。高溫試驗(yàn)結(jié)果見表1，由此可知，在高溫125℃條件下，膠筒橡膠可實(shí)現(xiàn)雙向25 MPa高溫密封，密封性能良好。

圖6 試驗(yàn)工裝及膠筒

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)

3.2 整機(jī)常溫試驗(yàn)

整機(jī)常溫試驗(yàn)的目的是對組裝完成的9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器進(jìn)行坐封及驗(yàn)封試驗(yàn)。

如圖7所示，利用工裝對封隔器進(jìn)行坐封，在拉拔試驗(yàn)臺(tái)架上下壓30 t，將封隔器坐封在9-5/8″套管內(nèi)壁。

圖7 封隔器坐封試驗(yàn)

坐封完成后，進(jìn)行壓力密封測試，如圖8所示，分別驗(yàn)證封隔器膠筒封隔區(qū)上部區(qū)間及下部區(qū)間密封壓力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，結(jié)果表明，該封隔器機(jī)械坐封簡單，坐封后雙向可實(shí)現(xiàn)20 MPa密封，密封性能良好，且膠筒無明顯損傷，如圖9所示。

圖8 封隔器驗(yàn)封試驗(yàn)

圖9 試驗(yàn)完成后的膠筒情況

表2 打壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 入井試驗(yàn)

入井試驗(yàn)的目的是對組裝完成的9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器進(jìn)行井下使用進(jìn)行檢驗(yàn)。

利用送入工具將封隔器下入到位，投球打壓，送入工具脫手，上提內(nèi)層管柱，下壓坐封工具30 t，封隔器坐封，環(huán)空打壓5 MPa，穩(wěn)壓5 min，封隔器密封效果良好。

4 結(jié)論與建議

1）針對TAML5級完井分支井眼下尾管出現(xiàn)的各種問題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器，旨在解決分支井眼尾管固井問題，保證尾管固井質(zhì)量。

圖10 準(zhǔn)備下入的封隔器

2）利用有限元數(shù)值模擬的方法研究了工具抗拉、抗扭條件下的受力情況，模擬結(jié)果表明工具可滿足實(shí)際情況作業(yè)時(shí)的抗拉和抗扭的強(qiáng)度要求。

3）膠筒高溫試驗(yàn)和整機(jī)坐封驗(yàn)封試驗(yàn)表明：9-5/8″套管用機(jī)械式大通徑尾管封隔器坐封簡易穩(wěn)定，常溫至120 ℃下可承壓25 MPa。

4）目前工具僅完成1此現(xiàn)場試驗(yàn)，尚需增加試驗(yàn)應(yīng)用井次，并跟蹤使用情況，盡快使該工具推廣應(yīng)用。