冲砂同心管用Z331型自封封隔器研制

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(1.中国石油大学(北京) 海洋工程研究院，北京 102249；2.中国石油辽河油田 钻采院，辽宁 盘锦 124010；3.中国石油华北油田 采油工程研究院，河北 任丘 062552)

冲砂同心管用Z331型自封封隔器研制

阚长宾1，杨进1，于晓聪2，闫莉1，李春燕3，傅超1，胡南丁1，殷启帅1

(1.中国石油大学(北京) 海洋工程研究院，北京 102249；2.中国石油辽河油田 钻采院，辽宁 盘锦 124010；3.中国石油华北油田 采油工程研究院，河北 任丘 062552)

在同心管冲砂方式转化作业过程中，自封型封隔器是实现井底冲砂液流转向所必需的井下工具。为解决常规皮碗状自封封隔器使用寿命短、易砂阻、易砂卡的技术难题，研制了同心管用Z331型囊状自封封隔器。通过封隔器的结构设计、工作原理及囊状橡胶密封圈的有限元数值模拟，研究了Z331型囊状封隔器的工作特性、密封有效性及冲砂作业适用性能。耐磨蚀囊状橡胶密封胶筒可有效预防封隔器密封胶筒落砂，有效控制砂阻、砂卡管柱，同时提高了橡胶密封面因冲砂作业反复活动起下管柱而所需的耐磨蚀性能。为冲砂同心管型自封封隔器的设计提供了一种新的方法。

冲砂；同心管；封隔器；结构

Abstract：In the process of sand washing operation of concentric tube sand flushing，self-sealing packer is a kind of downhole tool which can be used to realize the fluid diversion in downhole bottom.In order to solve the technical problems of short service life，easy sand resistance and easy sand stick of the conventional bowl shaped self sealing packer，a concentric tube Z331 self sealing packer was developed.Through the structure design，working principle and finite element numerical simulation of the sack-like rubber sealing ring，the working characteristics，sealing effectiveness and the performance of the sand washing operation of the Z331 packer are studied.Through the design of wear resistant rubber sealing rubber cylinder，it can effectively prevent the packer from falling.It can effectively control the sand resistance and the sand sticking string.At the same time，the wear resistance of the rubber sealing surface due to the repeated operation of the rubber sealing surface is improved.It provides a new and effective method for the design of concentric tube type self sealing packer.

Keywords：sand clean out；concentric pipe；packer；structure

随着油田开发进入中后期，油藏压力系数将逐渐变低，油井出砂、砂埋油层等现象较为常见。油井冲砂过程中，易出现冲砂液漏失、污染油藏、漏失不返液而无法建立冲砂循环等现象，严重影响油井冲砂效果[1-2]。为解决低压力系数、易污染、易漏失油藏的冲砂技术难题，常用的冲砂方式有低密度携砂液冲砂、连续管冲砂、同心管冲砂方式转换冲砂作业等。现场实践表明，同心管方式冲砂具有高有效性、高技术经济性而得到了广泛的应用[3-4]。

目前，同心管冲砂管柱采用常规皮碗状橡胶密封的自封封隔器。主要存在以下技术难题：

1) 常规皮碗状橡胶密封圈易发生砂阻、砂卡事故。

2) 在冲砂作业过程中，同心管冲砂管柱需上下活动，皮碗状橡胶密封圈易落砂，活动管柱过程中胶筒强度不够，易被挤毁、压碎、脱落，从而致使密封失效[5]。

3) 针对同心管式的自封封隔器研究较少，不能满足同心管冲砂作业的需要。

基于此，本文针对同心管冲砂方式转换的工艺技术需要，结合其工艺技术特点，研制了Z331型同心管用囊状自封封隔器。通过对冲砂同心管用囊状自封封隔器的设计，并与同心管冲砂管柱配合，提高冲砂作业的安全性，实现高效作业。

1 结构设计

新型Z331型自封封隔器由封隔器本体、囊状胶筒密封与承压机构、胶筒位置限定装置、腔室内外压力平衡装置等构成，如图1所示。

1—油层套管；2—油管接箍；3—冲砂管内管；4—囊状橡胶密封胶筒；5—内外管上连接辐；6—冲砂管外管；7—上端面承托圈；8—内腔连通孔；9—上端面承托杯；10—上端面支撑圈；11—囊状胶筒内腔室；12—内腔支撑环；13—加强筋；14—下端面限位圈；15—下端面支撑圈；16—下端面承托杯；17—下端面承托圈；18—下连接头；19—内外管下连接辐；20—油管接头。图1 同心管用囊状自封封隔器

冲砂同心管的内、外管通过内外管连接节箍螺纹固定在内管上，内外管连接辐位于内外管之间，是内外管的支撑结构。冲砂内管与冲砂外管之间的环形空间为冲砂液流通道。冲砂过程中，Z331型自封封隔器将冲砂外管与套管之间的环空进行密封封堵，从而实现同心管冲砂管柱的井下液流转向，将井口的反循环冲砂方式转换为井底的正循环冲砂方式。

Z331型自封封隔器的囊状橡胶密封胶筒为中空的圆环囊状，其形状有2个端部，在2端部之间是中空腔体。上下端部为胶筒的固定端，通过安装垫圈、橡胶密封圈承托环、支撑环、限位垫圈等进行位置固定，并提高抗压、抗拉作用力。橡胶密封圈承托环的形状是由圆环面底面和围设在底面外的圆环侧壁组成，它与两端部配合形成支撑机构，限制两端部的位移，增加端部的刚性。囊状密封胶筒采用耐磨蚀性能较高的改性橡胶，以满足冲砂过程中冲砂管柱反复起下对密封胶筒耐磨蚀性能的要求，且端部内部设置有弹性加强筋结构，以提高两端部的刚性，从而提高囊状橡胶密封圈的承压能力。橡胶密封圈承托环、支撑环和囊状橡胶密封圈配合安装，可以有效控制囊状橡胶密封圈在受压差情况下的形变。

囊状胶筒的内腔压力与封隔器上端的液柱压力为连通压力，压力传递通道由上下端承托圈、内腔支撑环、上下端承托杯、安装垫圈、上下端面限位垫圈等部件上设置的水流通道凹槽构成，通过结构件的配合实现压力通道的内外连通，即，囊状封隔器内腔压力与封隔器上端压力连通。囊状胶筒与油井套管之间采用过盈配合，当封隔器下井后，由于胶筒腔内压力与封隔器上端压力的平衡，从而实现了封隔器的自封密封。

2 工作过程及原理

1) 下井。

将Z331型冲砂封隔器连接在同心管冲砂管柱中，按单井冲砂设计要求将带封隔器的管柱进行管柱配合设计，并下到井内预设计位置。在同心冲砂管柱下入井时，由于管柱的下行使得囊状胶筒的下端面所受液体压力较大，而囊状胶筒内腔与封隔器上端压力连通，囊状胶筒在橡胶弹性作用下可低阻力的下入井筒。

2) 坐封与冲砂。

当Z331型同心管冲砂封隔器下入到指定位置后，接好地面管汇，向管内泵入冲砂液。由于囊状胶筒与套管管壁之间的过盈配合设计，泵入冲砂液使得封隔器的上端与下端存在压力差。此时，封隔器上端流体经压力连通通道进入囊状胶筒内腔，在上下压差的作用下，将囊状胶筒扩展压持在套管管壁上，使得囊状橡胶密封圈的外壁与套管的内壁紧紧贴合，封隔油管与套管的环形空间，完成封隔器自动坐封过程，阻断冲砂液向井下流动。从而使得冲砂流体转向，自上部井段的油套环形空间，流经冲砂井下转换短节，进入冲砂同心管的内、外管环形空间，使井口的反循环冲砂洗井过程转换为井底的正向循环冲砂洗井过程。

冲砂过程中，井底砂床强度较大或彻底清扫井筒沉砂，需反复上、下活动冲砂管柱，反复起下管柱过程中，囊状封隔器的上、下两个端面均为密闭的圆弧面设计，不易产生落砂砂卡管柱现象，保证了冲砂作业过程起下管柱的顺畅。同时，由于上下端压力差的存在，保障了封隔器的密封有效性。

3) 解封。

冲砂作业结束后，停止泵入冲砂液，冲砂管柱的管内与油套环空之间、封隔器上下端面之间则不存在压力差。需要进行起出管柱作业时，上提同心管冲砂管柱，操作过程与普通皮碗式自封封隔器起出作业相似。由于囊状橡胶密封圈内无砂粒等物质发生硬卡阻，且囊状橡胶密封圈具有弹性适应管壁的特性，借助与套管内壁的接触压力，可以靠自身弹性回缩，从而完成解封。相对而言，起下作业压差阻力较小，管柱起出顺利，从而提高了冲砂作业的安全性。

3 主要技术特征

3.1技术特点

1) 囊状橡胶密封胶圈的囊状结构，可有效防止井内落砂堆积，不易形成砂阻、砂卡管柱，有效保障冲砂洗井过程的管柱起下安全性；囊状橡胶密封圈具有弹性适应管壁的特性，借助与套管内壁的接触压力，便于同心管冲砂管柱移动作业，提高了冲砂作业的效率。

2) 在囊状橡胶密封胶圈内设计加强筋结构，提高了囊状橡胶密封胶圈两端部的刚性，从而有效提高了橡胶密封胶筒的密封承压能力。封隔器的下入过程、坐落密封过程、冲砂过程、起出过程与普通皮碗式自封封隔器具有相似的作业工艺、操作简单。同时，采用耐磨蚀胶筒设计，可适用于冲砂反复起下作业的工艺技术需要，延长了封隔器的密封时效性，提高冲砂效率。

3) 在同心管冲砂管柱上下移动作业时，承托环、支撑环及囊状橡胶密封圈的配合安装，可有效控制囊状橡胶密封圈受压差情况下的形变量，且保证起下作业的压差阻力较小。承托环、支撑环及囊状橡胶密封圈的配合安装，可有效提高囊状橡胶密封圈承受压差能力，且作为胶筒的承压台肩控制胶筒的变形形变量，保证起下作业过程的低起下阻力。

3.2主要技术参数

封隔器本体(下连接头)外径ø124.70 mm；囊状胶筒最大外径144.70 mm；冲砂管内管公称直径73.03 mm(2英寸油管)。接箍型号TBG 2NU；冲砂管外管公称直径88.90 mm(3英寸油管)。总长1 200 mm；最大密封压力15 MPa；最大耐温150 ℃。

4 胶筒数值模拟与分析

封隔器所具备的功能主要靠弹性密封胶筒的密封作用来实现。囊状密封胶筒是囊状自封封隔器实现密封与封堵的最为关键的构件，是封隔器最为关键的功能性构件[6]。胶筒的密封性能是判断其工作性能好坏的关键，深入研究封隔器胶筒的密封性能是提高封隔器工作性能的关键。由于冲砂作业工况的复杂性，要求囊状胶筒在冲砂承压条件下具有较好的密封性、较高的承压能力。

密封胶筒属于复合非线性材料，橡胶在受力变形的过程中其内部应力是高度非线性的，要非常精确的分析压缩过程中橡胶内部的应力分布情况是非常困难的，因为橡胶压缩过程中，橡胶本身的许多性能参数都在变化，无法直接给出[7-8]。由于理论分析方法的困难性，研究中理论公式主要用于定性分析，不能描述橡胶工作中的复杂力学行为。当前，对密封元件的研究主要集中于封隔器的井下工作性能分析、室内物理模拟试验及数值模拟方面，研究其与套管管壁的接触应力曲线、胶筒内部的应力分布[9]。因此，通过构建数值模型，研究其囊状密封胶筒的坐封受力状态及应力分布是必要的。

4.1模型建立

1) 条件假设。橡胶类材料为超弹性材料；材料为各向同性；数值模拟时包括几何非线性效应[10]。

2) 套管和油管材料为钢，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3；橡胶材料为超弹性材料，使用Yeoh模型来模拟橡胶材料[11-12]。

3) 接触的法向属性为默认设置；切向属性将主要摩擦公式设置为罚函数。载荷施加条件为：考虑到胶筒内腔与封隔器上端的压力连通性，在胶筒内部和胶筒外部上端面(模型的胶筒左侧端面)施加相同的压力。

所建立的胶筒网格划分计算模型如图2所示。

图2 囊状胶筒的网格划分计算模型

4.2结果分析

在工作内压为10 MPa，胶筒外部上端面外压也为10 MPa的作用下，Mises应力云图如图3所示。计算结果表明，囊状胶筒具有较好的密封性，密封胶筒上部所受应力较小，胶筒的下半部分为主要承压区域，同时变形也较大。胶筒与套管内壁的接触应力最大处为胶筒下端的管壁初接触处，最大接触应力值为1.338×104kPa，且应力分布图中此处为应力最大值处。此区域的接触应力大，则冲砂管柱在冲砂作业起下过程中，所受的摩阻力及磨蚀程度将最严重，这与封隔器的实际应用情况较为吻合。从现场使用情况看，囊状胶筒的磨蚀程度此处最为严重。

图3 坐封工况条件下的模型Mises应力云图

5 室内试验测试

封隔器在油井现场实际应用中，胶筒的密封能力是衡量封隔器性能的重要技术指标之一，胶筒的性能就是关键影响因素[13]。

为研究囊状自封封隔器密封承压能力，采用如图4所示的试验系统对其进行室内试验测试。试验装置包括：样机、模拟套管、液压泵、封隔器、连接软管、压力表等。按图示流程进行耐压密封试验，试验过程为：将封隔器样机安装于试验模拟套管内，将封隔器上端面用油管丝堵封堵。自密封上端管线逐渐给封隔器上部套管内加压，同时记录密封上端管线与密封下端管线的压力差，加压级差为1.0 MPa，测定1个压力级差后，稳压5 min，记录上、下端压力表压降；测试完1个级差后，逐渐增加压力，重复上述步骤，直至测试压力达到15 MPa时，停止试验测试，卸掉试验系统压力。

试验结果如表1所示。囊状密封胶筒的密封性能良好，试验过程中的最大压降为1%，且试验过程中当试验系统压力大于12.0 MPa时，试验监测到囊状胶筒有压力降，这说明当试验系统压力接近设计承压能力极限时，胶筒的受压膨胀严重，具有少量的漏失。试验结果表明，封隔器胶筒密封良好，密封性能达到设计要求。

6 结论

1) 研制了Z331型同心管用囊状自封封隔器，采用囊状胶筒密封单元，胶筒内设置有加强筋。克服了皮碗式自封封隔器在冲砂洗井过程中，皮碗内易落砂而砂卡、活动管柱而导致的密封时效性差的技术难题。结构简单、技术性能可靠，有效提高了自封封隔器的冲砂适用性能。

2) 数值模拟结果表明：封隔器承压为10 MPa时，囊状胶筒具有较好的密封性能。胶筒的下半部分为主要承压区域，胶筒与套管内壁的接触应力最大处为胶筒下端的管壁初接触处，最大接触应力值为1.338×104kPa，满足胶筒的强度要求。

3) 囊状自封封隔器配合同心管冲砂方式转换技术，解决了易漏失油藏的高效冲砂问题，可广泛应用于油水井冲砂作业中，提高作业效率和作业安全性。可推广应用于易漏失井、易污染井的冲砂作业中。

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StudyonZ331Self-sealingPackerofConcentricTubeinSandWashingOperation

KAN Changbin1，YANG Jin1，YU Xiaocong2，YAN Li1，LI Chunyan3，
FU Chao1，HU Nanding1，YIN Qishuai1

(1.InstituteofMarineEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China；2.DrillingandProductionInstitute，LiaoheOilfield，Panjing124010，China；3.OilProductionEngineeringResearchInstitute，HuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

TE931.203

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.008

1001-3482(2017)05-0037-05

2017-04-23

国家十二五重大科技攻关项目“辽河油田原油千万吨持续稳产关键技术研究”(2011ZX03008)；国家十三五重大科技攻关示范项目“辽河、新疆稠油/超稠油开发技术示范工程”(2016ZX05055)

阚长宾(1981-)，男，博士研究生，2006年毕业于中国石油大学(华东)海洋工程专业，从事深水油气开发与钻采工具研究，E-mail：kchangbin@163.com。