海上油田隔离密封性能优化研究及应用

刘华伟，徐国雄，李孟超

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术公司 增产作业分公司，天津 300452)

海上油田隔离密封性能优化研究及应用

刘华伟，徐国雄，李孟超

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术公司 增产作业分公司，天津 300452)

针对海上油田生产井中出现的井下密封筒的磨损、划伤及腐蚀导致插入密封容易失效的问题，设计了一种新型插入密封工具。介绍了该插入密封工具的结构与工作原理；通过胶筒受力分析来确定结构参数，并对主要零件进行了有限元分析。在海上油田应用压力膨胀式插入密封，对其进行坐封及验封。经理论分析和试验证明：设计的压力膨胀式插入密封工具满足插入密封的技术指标要求，并能在有缺陷的密封筒里实现有效密封。

密封筒；插入密封；压力膨胀；坐封；验封；解封

在海上油田生产井中，随着防砂管柱下入时间增长，以及频繁的修井起下管串作业，井下密封筒会出现磨损、划伤或者腐蚀问题。由于目前使用的常规插入密封模块的膨胀量较小，在密封工作筒损伤腐蚀的部分油水井中，插入密封无法正常分层，层间出现不同程度的渗漏，严重时油水井分层开采、分层注入功能失效，形成了“笼统开采、笼统注水”的状况。

通常，密封光筒在轻微腐蚀、磨损的情况下，插入密封就容易失效。对于密封筒损伤失效，海上油田还没有很好的应对措施。因此，需研究一种在井下密封筒轻微腐蚀、磨损情况下，无需大修、更换防砂管柱，仍能够起到密封分层效果的新型密封工具。

1 密封筒受损机理分析

对隔离密封总成的密封筒的腐蚀、磨损情况进行检验，并进行数据统计分析。以10 mm的长度进行分段，将有缺陷的3个密封筒进行No.1～10进行标定，统计点(线)蚀的数目，然后，再将每一段分成2个区，并计算出每一区的所有点蚀的总深度。如表1所示。

表1 密封筒点(线)蚀数据统计

从表1可以看出，密封筒的点(线)密封光筒在轻微腐蚀、磨损的情况下，插入密封就容易失效。其原因为：①密封筒变形；②密封筒内表面在轴向上有较大的划痕；③密封筒内表面腐蚀严重。

插入密封的胶筒在井下高温、高压的环境中容易腐蚀、磨损，特别是密封块，更容易受到井下变载荷工况的影响。

胶筒为一粘弹性体，兼有弹性和粘性2种特性。在固定应力下，表现出应变随时间增加而增加的蠕变现象及应力随时间增加而减小的应力松弛现象，所以胶筒经初压缩后，在载荷作用下继续变形——发生“肩部突出”，并朝插入密封钢体和套管之间流动，导致接触应力下降。在变形一定的情况下，还会发生一种初接触应力随时间而减小的现象(即应力松弛)。这种应力松弛分为物理应力松弛和化学应力松弛2个阶段，它随胶筒环境温度的升高而加剧。对于圆柱形胶筒，应力松弛甚至可达5%，此时插入密封即告失效[1-4]。

由于橡胶材料的蠕变效应和松驰效应，造成橡筒过度膨胀，磨损，脱落，使密封失效，因此，新型的插入密封既要保证胶筒有足够的弹性，又要保证适当的硬度，才能保证密封可靠。

因密封筒失效而采取更换封隔器并重新进行防砂的大修作业，单井作业成本在￥400万元以上，成本较高，且重新防砂作业会造成油井减产或水井减注。

2 新型插入密封组成与工作原理

新型插入密封由活塞、橡胶圈、销钉等组成，如图1所示。

1—上接头；2—限位钉；3—坐封剪钉；4—移动活塞；5—胶筒；6—支撑卡瓦；7—剪切环；8—密封模块；9—下接头。图1 插入密封总成

2.1 坐封原理

1) 向中心管施加坐封压力。

2) 液体从中心管内壁小孔进入中心管与移动活塞之间的环形空间。

3) 液压逐渐增大达到坐封压力，移动活塞切断坐封剪钉、向下移动压缩胶筒，压缩胶筒受压扩张，密封中心管与工作筒的环形空间。

4) 压缩橡胶下压支撑卡瓦；支撑卡瓦本体的6个卡爪内壁有棘齿，与移动环外壁的棘齿配合，在棘齿的作用下，卡爪向外移动，直到卡爪贴近工作筒内壁为止；同时由于受到工作筒内壁和棘齿的尺寸限制，支撑卡瓦不会向下移动。

5) 由于限位钉的作用，移动活塞移动至最大压缩距时，不再移动。

6) 移动活塞本体的6个卡爪内壁有棘齿，与中心管上的棘齿配合，确保移动活塞单向滑动(只允许向下移动)。

2.2 解封原理

1) 上提中心管。

2) 拉力逐渐增大，达到解封压力，压缩橡胶推动支撑卡瓦与移动环，切断解封剪钉。支撑卡瓦与移动环同时向下移动一个压缩距，压缩胶筒径向收缩、恢复原状。

3) 如果拉力小于解封压力，解封剪钉不会被剪断。当膨胀式插入密封被拔出工作筒后，支撑卡瓦的卡爪失去工作筒内壁的约束，向下移动一个压缩距，压缩胶筒径向收缩、恢复原状，同样起到解封效果。

3 密封模块的结构参数设计

3.1 胶筒的整体受力分析

处于工作状态的胶筒轴向受力状态如图2所示。

图2 胶筒受力分析

胶筒受力平衡方程为

(1)

式中：Fm为胶筒与套管间的摩擦力，N；Ft为胶筒的抗剪切力，N；Δp为胶筒承受的工作压差，kPa；R2为胶筒外半径，cm；R3为套管内半径，cm。

Fm、Ft由式(2)～(3)求得：

Ft=2πH0R2T

(2)

Fm=2πfH0R3prw

(3)

式中：T为橡胶所受剪应力，kPa；f为胶筒与套管之间的静摩擦因数；prw为胶筒与套管间的接触应力，kPa；H0为胶筒工作状态下的长度，cm。

将式(2)、(3)代入式(1)得：

(4)

压缩式胶筒均为柱状结构，主要结构参数为外径、内径和高度。假设胶筒压缩前后体积不变，则：

(5)

整理可得：

(6)

式中：R1为胶筒内半径，cm；H为胶筒自由高度，cm。

3.2 胶筒与套管间的接触应力

对于各项参数已确定的胶筒，其能承受的压差取决于接触应力prw。

工作胶筒一般处于稳定变形阶段，其接触应力由2部分组成[4]。

prw=pr+pr1

(7)

式中：pr为胶筒受机械轴向力坐封产生的接触应力，kPa；pr1为胶筒受液压压差作用产生的接触应力，kPa。

(8)

(9)

式中：μ为胶筒的泊松比；F为胶筒坐封时承受的轴向力，N；E为胶筒的弹性模量，kPa；pz为胶筒承受压差时高压端压力，kPa。

将式(8)、(9)代入式(7)得：

(10)

3.3 胶筒坐封力

胶筒的坐封力为[5]

(11)

将式(11)代入式(10)得：

(12)

胶筒的自由高度H是由参数Δp，pz，f，T，R1，R2，R3来确定。

H=f(Δp，pz，f，T，R1，R2，R3)

(13)

套管内半径R3为确定值；胶筒外半径R2可根据封隔器允许最大外径确定；内半径R1可根据中心管允许最小外径确定；橡胶的允许应变[ε]应小于0.3，一般取0.25。胶筒的剪应力T，如果用胶筒允许剪应力[t]代替，则Δp为最大耐压差值，[t]=橡胶抗张强度/4。胶筒的剪应力T取决于橡胶的抗张强度，与胶料的性能有关。82.55mm(3.25英寸)插入密封参数如表2所示。

表2 插入密封初始参数

计算可得：胶筒长度为28.7mm；坐封压差为8MPa；压缩距为6mm。

3.4 强度校核

胶筒在3个方向应力作用下工作，应用第四强度理论对其进行强度校核[6-9]。胶筒的合成应力为

(14)

代入数据计算得：

σr=4.2MPa≤5.8MPa(许用应力)

经校核，胶筒强度满足要求。

3.5 有限元分析

对82.55mm(3.25英寸)插入密封移动活塞建立3维模型[10-15]，利用Solidworks软件的Simulation有限元分析模块对其进行应力和位移的分析，得到的应力云图如图3所示。

图3 移动活塞的应力云图

从图3可以看出，在工作压差21MPa、坐封压差8MPa作用下，活塞的最大应力为528MPa，主要发生在活塞靠近胶筒的棘齿端，活塞其它部分的应力分布比较均匀。因此，活塞失效部位将发生在移动活塞移动时的第一个棘齿上，在移动活塞结构设计时，应该重点对这个部位进行优化设计，以延长其使用寿命。

4 现场应用与性能分析

以海上油田SZ36-1平台的K30井为研究对象。压力膨胀式插入密封在油井中与管柱的连接如图4所示。

图4 插入密封现场应用

连接各管线，启动泥浆泵油管内正挤憋压10MPa，坐封压力，膨胀式定位密封，停泵放压。倒流程，油套环空试压15MPa，时间30min，压力不降，合格。

恢复平台注水，得到K30井应用新型插入密封前后的生产数据，如图5所示。

图5 K30井新型插入密封应用前后生产数据

从图5可以看出，应用前，平台套压0.4MPa，日注水量为200m3/d，少于平台所需配注量582m3/d；应用后，无套压，注水量达到583m3/d，满足配注量的要求。说明新型插入密封能在有缺陷的密封筒里实现有效密封，解决了井下密封筒失效而无法分层注水的问题。

5 结论

1) 设计的压力活塞式插入密封工具结构新颖、功能多样且具有主动密封功能。压缩胶筒扩径后在遇到上一级密封段时，压缩力自动释放，压缩胶筒自动恢复原状，不会挤压破损。

2) 通过对胶筒的受力分析，得到胶筒高度的应力函数，以密封筒的相关尺寸、工作压差及相关材料的强度为自变量，设计出胶筒的高度。依照第四强度理论，对设计的胶筒尺寸进行了强度校核。并运用有限元对压缩活塞进行强度分析，结果表明，设计的结构满足强度要求。

3) 对压力膨胀式插入密封进行了坐封和验封应用，表明工具性能可靠，在密封筒轻微腐蚀、磨损而普通插入密封无法实现密封时，在不更换密封筒的情况下，能够起到密封分层效果。

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Design and Application of the Pressing Expansive Insert Sealing Tool

LIU Huawei，XU Guoxiong，LI Mengchao

(Energy Technology and Services Ltd.Drilling and Production Company，CNOOC，Tianjin 300452，China)

Aiming at the easy insertion sealing failure resulting from abrasion scratches，or corrosion of sealing barrel appeared in the borehole through offshore oilfields producing wells currently，a new type of insertion sealing tool is designed.The structural design and operating principle of insert sealing tool are introduced to determine the structural parameters by stress analysis for rubber tube，and do a finite element for the main parts.The pressing expansive insert seal is applied on the offshore oilfield，and do packer setting and sealing check.Theoretical analysis matches the experimental results，which prove that the new insertion sealing tool can meet the technical requirements of insertion sealing and is able to achieve effective sealing function in the defective sealing barrel.

sealing barrel；insertion sealing；pressure expansion；packer sealing；inspection sealing；deblocked sealing

1001-3482(2017)04-0056-05

2017-02-11

刘华伟(1985-)，男，工程师，主要从事油田稳油控水工艺、井下工具设计及研究工作，E-mail：liuhw23@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.014