K344封隔器质量改进研究

李 斌 王大江 刘 军

中国石化江汉油田分公司 采油工艺研究院 （湖北 潜江 433123）

K344封隔器质量改进研究

李 斌 王大江 刘 军

中国石化江汉油田分公司 采油工艺研究院 （湖北 潜江 433123）

针对目前K344封隔器在压裂施工中存在的质量问题，将PDCA质量管理方法应用于K344封隔器质量改进过程。在运用统计方法对现场问题归类的基础上，从设计角度进行原因分析，并对其结构进行优化设计，运用试验研究方法验证。改进结果表明：优化后K344封隔器结构更加合理，易于组装，下入、坐封可靠性更高。

封隔器 质量改进 中途坐封

目前中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院（以下简称江汉油田采油院）研制的K344封隔器在油田得到了广泛应用。该封隔器具有密封性能好、承压时间长、易解封等优点，能够有效的解决分层压裂管柱砂卡，封隔器不易解封，管柱难以起出的问题。该封隔器在现场应用过程中出现过中途坐封的问题，在深井施工中出现坐封启动压力偏高以及组装困难等问题。为有效解决上述问题，本文将PDCA质量管理方法应用于K344封隔器质量改进过程以提高封隔器的可靠性、降低质量成本。采用调查表的方法分析质量现状、统计质量问题，并从设计角度针对K344封隔器存在问题进行了深入分析。采取预防措施对其结构进行优化设计后，进一步开展了一系列的室内试验和现场试验，运用试验研究方法验证K344封隔器改进结果。

1 工作原理

1.1 K344型封隔器结构

K344封隔器主要由上接头、锁簧、外套、活塞、中心管、扩张式胶筒、浮动短接、下接头等组成。

1.2 K344型封隔器工作原理

其工作原理是中心管憋压，当压力到达10MPa后，在液压的作用下活塞上行，剪断坐封启动销钉。进入锁簧入锁后，坐封进液通道被开启，液体进入扩张式胶筒与中心管的密封空间内使胶筒膨胀坐封。中心管卸压后，胶筒在自身的弹力的作用下回收，完成解封。

2 存在问题

采用质量管理的统计技术，以调查表的形式对已组装的95套K344封隔器和已应用的42井次进行统计，以分析质量现状。得出统计情况如表1、表2所示。

表1 K344封隔器组装异常情况统计

表2 K344封隔器现场应用异常情况统计

从表1、表2中可以看出，该封隔器总体上组装、应用一次成功率较高，但也出现了一些出现频次较高的问题，主要表现在：

（1）封隔器组装时启动销钉异常剪断，不能正常工作，占组装总数的17.9%。

（2）管柱下入过程中封隔器中途坐封，占现场应用井次的7.1%。

（3）封隔器坐封过程中压力异常偏高，占现场应用井次的16.7%。

这些问题的出现，导致在室内组装上需投入大量人力检测和返工，影响组装效率和最终产品质量；导致封隔器在应用过程中出现异常情况，造成一些不必要的重复作业，影响施工效率和质量，如不解决上述问题、重视质量成本，会给施工方造成巨大的经济损失。

3 原因分析

产品质量第一是设计出来的，第二是制造出来的，设计是造成产品质量问题的首要原因，而检验最终把关不能保证和提高产品质量。针对上述K344封隔器在现场应用中存在的问题，从产品设计的角度综合运用流体力学等专业知识和实践经验对问题进行原因分析。

3.1 中途坐封

封隔器下入过程中其内部的液柱会引起水击现象。发生水击的物理原因主要是由于液体具有惯性及压缩性，在管内液体受到瞬间阻挡截断时，液体的压缩性和惯性起着主要作用。惯性维持原来运动状态，故流速突然改变导致压力的急剧变化。

由流体力学理论可知，管柱内井液对封隔器产生的瞬时最大水击压差ΔP为

式中 ρ—井内液体密度，kg/m3；

c—压力传播速度，m/s；

v内—管柱内井液上行的速度，m/s。

压力传播速度c为

式中E0—井液弹性模量，MPa；

D—管柱外径，mm；

δ—管柱平均厚度，mm；

E—管柱弹性模量，MPa。

按照如下已知条件计算：

井液密度ρ为1.3×103kg/m3；最快下入速度v内为4m/s；管柱弹性模量E为3×1011MPa；井液弹性模量E0为2.06×109MPa；28■″UP TBG油管管柱外径D为73mm；管柱平均厚度δ为5.51mm。计算得到最大水击压差ΔP为20.96MPa。而设计坐封启动销钉的剪切压力为10～15MPa,水击压差大于设计压力。

当封隔器下入速度过快时，在水击效应的影响下，液体在惯性下推动活塞运动剪断坐封启动销钉，从而封隔器内液体压缩胶筒使其鼓胀，造成中途坐封。

3.2 坐封启动压力偏高

活塞前后端面处有效面积不同，如图1所示。套压与油压活塞有效作用面积比例为：

式中S套压—油压在活塞上的有效作用面积，m2；

S油压—套压在活塞上的有效作用面积，m2；

L—套压与油压活塞有效面积比例。

图1 原K344封隔器活塞示意图

以K344-114型封隔器为例，套压与油压活塞有效作用面积比例L=1.8，油压推动活塞剪断坐封启动销钉必须首先克服套压的作用。在深井中套压形成的活塞阻力会使得坐封启动销钉剪切压力大大高于设计压力。K344设计坐封启动压力是 10～15MPa，在深井施工中会出现30MPa才能剪断销钉情况，给深井施工带来了风险。

3.3 组装不便

在封隔器的组装过程中，装在外套里面的销钉，在剪断后不易发现。特别是在销钉剪切面直径小至3mm，容易出现安装外套时，碰撞活塞导致剪断销钉的情况。这种设计给组装、质检工作带来了困难，降低了工作效率。

4 结构优化

针对K344封隔器存在的上述问题，依据PDCA质量管理方法拟定改进措施，在封隔器设计上采用预防手段，对其从结构上进行改进优化，以期提高封隔器质量，降低质量成本。

4.1 K344型封隔器优化改进思路

通过优化提高K344型封隔器对于复杂井况的适应性。优化思路为：增加防阻防水击机构，提高封隔器的可靠性；改进活塞结构，确保作业安全有序；调整坐封启动销钉位置，提高组装效率。

4.2 K344型封隔器优化设计

针对K344封隔器设计输出无法满足设计输入要求的情况，对其进行优化改进。优化后的K344型封隔器主要由上接头、扩张式胶筒、外套、下接头等组成。其中外套内设计有防阻防水击机构。封隔器工作原理是：中心管憋压，当达到一定压力后，活塞剪断坐封启动销钉，同时使防阻机构失去作用。坐封进液通道开启后，液体进入扩张式胶筒与中心管的密封空间内使胶筒膨胀坐封。中心管卸压后，胶筒在自身的弹力作用下回收，完成解封。

改进后的K344型封隔器具有以下特点：

（1）增加了防阻防水击机构，提高了K344封隔器的可靠性。为了避免在封隔器下井过程中出现中途坐封，在原有K344封隔器的基础上，增加了防阻防水击机构。首先，通过螺纹将外套、弹簧爪、下外套、下接头和中心管连接为一体。在封隔器下入过程中遇阻或水击上外套出现活塞效应时，依靠锁紧的弹簧爪固定的位置，阻止其推动胶筒膨胀。其次，合理增大坐封启动销钉尺寸。有效避免在封隔器内出现水击现象时，销钉轻易被剪断进而开始坐封。

（2）改进了活塞结构，确保坐封压力稳定。为了有效提高封隔器在深井作业中的可靠性，保证按照工具设计的坐封启动压力顺利施工，改进活塞结构，使得油套压作用的有效面积相同。从而在油管加压的情况下，活塞能够按照设计压力剪断销钉，使液体进入扩张式胶筒与中心管的密封空间内开始坐封。

（3）调整了坐封启动销钉位置，便于质检和室内试验的开展。为避免安装外套时碰撞活塞导致剪断销钉的情况出现，将坐封启动销钉直接安装于外套上。调整销钉位置后，可以在安装外套后再安装销钉。改进后的结构既方便安装外套，又便于销钉的安装和检查，有效地提高了组装效率。在开展室内销钉剪切试验后，也方便更换销钉，避免了反复拆装封隔器。

5 优化后的K344封隔器室内试验及现场应用情况

为检查K344封隔器改进计划的执行情况和实施效果，需要对设计结果进行验证，并记录验证结果。对优化后的K344封隔器通过开展一系列的室内试验和现场试验以试验研究方法验证改进后的封隔器性能指标是否满足现场使用要求。

5.1 室内模拟试验

对优化后K344型封隔器的各项性能进行了室内模拟试验，试验数据见表3。

表3 优化后K344型封隔器室内试验数据

室内模拟试验表明，优化后K344型封隔器的工作参数满足设计要求。

优化后的K344型封隔器系列技术指标如表4所示。

5.2 现场应用情况

2012年以来，优化后的K344系列封隔器已在四川、玉门等油田成功应用74井次，且施工结束后油压、套压平衡，封隔器按设计要求实现了解封。以合川125-8-斜2井为例，该井井深2 579m，最大井斜34.39°，2012年4月10日使用4套K344-114封隔器对该井须二井段2 548～2 552m、2 526～2 532 m、2 457～2 460m和2 428～2 431m进行分4层加砂压裂。

施工最高油压75MPa，最高套压26MPa，总加砂量90m3。在施工过程中，封隔器按照设计压力进行有序作业。施工后顺利起出封隔器，其形状基本保持完好。表明改进后的K344型封隔器能够满足分层压裂有效封隔的要求。

表4 优化后K344型封隔器技术指标

6 结 论

针对K344封隔器在现场应用过程中存在的一些质量问题，将PDCA质量管理方法应用于K344封隔器质量改进过程，以提高封隔器的可靠性、降低了质量成本。运用统计方法分析质量现状，找出存在的质量问题。从设计角度分析原因后采取预防措施对其进行了结构优化。通过试验研究方法证明，改进后的K344型封隔器有效地满足了现场施工要求，并取得了良好的经济效益。

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PDCA quality management method is applied in the quality improvement of K344 packer in order to solve the quality problems of the packer in fracturing operation.The quality problems are classified using statistical method,and the causes of the problems are analyzed from the structural design of the packer.Then the structure of the packer is optimized.The test results show that the structure of the optimized packer is more reasonable,its assembly is easier,and its down-well and seating-seal are more reliable.

packer;quality improvement;seating seal

李斌（1983-），男，现主要从事井下工具研究工作。

2012-08-13▎