液封气减压装置的研制

2019-06-29邓茂攸

石油知识 2019年3期

关键词：喷器管柱油管

邓茂攸

（中国石油吉林油田公司油气工程研究院吉林松原 138000）

1 工作原理与技术参数

液封气减压装置是针对气井带压作业装备配套研究的关键部件之一。主要作用是降低球形防喷器的耐压级别，利用液体密封气体，延长防喷器寿命，降低作业风险。主要由减压密封装置和液封气装置两大部分组成。

1.1 减压密封装置结构与工作原理

减压密封装置主要由上环形防喷器、液封气短节和下环形防喷器组成。使用两只球形防喷器分级进行密封减压，密封油套环形空间压力。下部球形防喷器作为主减压级，与上部球形防喷器之间封闭一段液柱，液柱压力降低下部球形胶芯上下压差，协助密封井内气压并润滑球形防喷器胶芯，减少胶芯磨损，同时球形胶芯不易积聚静电，可溶解气体介质中的H2S和CO2成分，生成无害弱酸。

1.2 液封气装置结构与工作原理

液封气装置主要由液封气短节、蓄能器、等压力传动缸、液路压力控制阀件、水泵等组成。由压力传动缸和蓄能器液封气短节内液体压力，液柱腔压力设定为3～4MPa，隔一段时间可以换液一次。由于接箍或井下工具通过短节时，液体腔容积会有明显变化，易引起水压剧烈波动；因此，液封气系统配有一套压力波动吸收子系统，由蓄能器平缓水腔压力波动。

1.3 主要技术参数

该装置的主要技术参数包括：（1）球形环形防喷器通径186mm；（2）球形环形防喷器额定工作压力35MPa；（3）蓄能器最高压力10.5MPa；（4）液封气短节通径186mm；（5）液封气短节额定承压能力35MPa；（6）液封气短节设定压力3～4MPa。

2 液封气减压装置动力学性能研究

液封气减压装置在气井带压起下管柱作业过程中起到了至关重要的作用，起下管柱时既要保护井下压力防止天然气泄漏，又要使起下油管能顺利进行，并且能够使接箍强行通过该系统。因此，需要研究分析接箍通过环形防喷器时球形胶芯的形变及应力。

2.1 起管柱过程中的位移分析

在油管开始被上提时，胶芯中橡胶与油管接触位置产生向上的轴向位移，这是由于起管过程中油管对胶芯产生向上的摩擦力，使胶芯内部的顶端产生向上的位移。油管继续上提，接箍会发生以下四种状态：接箍与胶芯刚发生接触、完全接触、即将脱离以及完全脱离。对液封气减压装置摩擦系数为0.1的条件进行计算分析，得到接箍在不同位置的位移云图，如图1所示。

图1 起管柱作业过程中的位移云图

0.031s时，接箍刚与胶芯发生接触。接箍开始挤压橡胶，相对油管来说，较粗的接箍所占空间变大，并且接箍与橡胶间存在摩擦力，由于胶芯底部受活塞的约束，故橡胶只能被挤向上部空间，致使橡胶顶部位移增至123mm。由于摩擦力作用接箍会向上拉扯橡胶，使胶芯对外界向上的力较大，这会导致胶芯上环面外圈与铁芯接触处产生较大应力，为10.05MPa。

0.047s时，接箍完全与胶芯发生接触，接箍完全进入胶芯内部，在接箍所在区域以及其下端的橡胶被完全挤开，与胶芯间形成一个环形空间，这说明更多的橡胶被接箍挤压至其上部，使得油管和接箍均处于密封状态。胶芯顶部位移较大，为135mm。橡胶同时产生向上和径向的挤压力，受下端环形密闭空间限制，橡胶在约束的作用下只能向上堆积、挤压，使橡胶与接箍上端接触部位产生应力集中，其大小为16.95MP。

0.062s时，油管即将脱离胶芯，由于橡胶为弹性体回复性较强，虽然接箍将胶芯上端挤开，但在接箍下端的环形空间又被橡胶填充，油管仍然处于密封状态，同时橡胶的位移变小为117.9mm。接箍对橡胶径向和轴向的外力降低，橡胶向原状态恢复，橡胶此时应力较前一状态会发生下降，最大应力位置向内部发展，应力为12.09MPa。

0.067s时接箍完全脱离胶芯，此时胶芯已经将油管密封，胶芯几乎恢复至初始封井状态，橡胶位移为117.3mm。由于胶芯向原状态恢复，故应力进一步减小至10.41MPa，之后会渐渐恢复初始状态。

各阶段应力与时间的关系曲线，如图2所示。在油管上提初始阶段，接箍并未接触胶芯时，胶芯中橡胶的应力变化范围为7.66～10.11MPa。0.024s时，接箍开始接触胶芯，致使在这之后胶芯应力波动性升高，0.034s时，橡胶应力达到极值21.1MPa，低于屈服强度。之后应力又呈波动性下降，应力随着胶芯恢复至初始封井状态而趋于稳定，胶芯中橡胶的应力变化范围为7.58～10.85MPa。该关系曲线图中应力均低于其屈服强度23.8MPa，胶芯不会因应力过大而损坏。

图2 液封气减压装置橡胶应力-时间关系曲线

在起管过程中，系统胶芯橡胶的接触应力值随时间的变化趋势比较稳定，说明其对井下气体的密封更加稳定，并且最大接触应力更低，对胶芯的损伤降低，增大了胶芯的使用寿命，封井效果稳定。

2.2 下管柱过程中的位移分析

下管柱过程中油管由上至下运动，接箍的初始位置在胶芯上端，接箍从上端强行通过胶芯。在液封气减压装置摩擦系数为0.1的条件下进行计算分析，得到接箍在不同位置的位移云图，如图3所示。

图3 下管柱作业过程中位移云图

0.024s时，接箍与胶芯的顶部橡胶最先发生接触，将顶部橡胶向下挤压，由于胶芯下端受活塞约束，橡胶只能向上流动，所以在胶芯顶部的位移较大，位移量为123.5mm。由于受到接箍的压力和摩擦力，胶芯与接箍底端接触的位置应力较大，为13.2MPa。

0.04s时，接箍完全进入胶芯时的位移云图显示，接箍已经被橡胶全部包在内部，此时较粗的接箍将橡胶向外挤压，致使橡胶向接箍上部和下部流动，对其形成包围状。由于防喷器内胶芯上面的空间相对较大些，橡胶向上流动较多，故橡胶的最大位移发生在其顶部，此时橡胶的位移为129mm。接箍与胶芯完全接触时，接箍完全进入所占空间，对橡胶的压力更大，致使橡胶此时在其被拉扯挤压下来的顶部边界处产生集中应力，橡胶的应力为16.7MPa。

0.053s时，接箍与胶芯即将脱离，此时接箍上部的空隙已经几乎完全被橡胶填充，上部橡胶已经形成对油管的密封。由于接箍对橡胶的挤压大大降低，所以胶芯向初始密封状态恢复，其顶部位移也减小，为121.1mm。当接箍即将脱离胶芯时，橡胶开始恢复初始封井状态，故应力也随之变小，橡胶的应力为11.81MPa。

0.058s时，接箍刚脱离胶芯，由于油管对橡胶仍存在向下的摩擦力，致使橡胶与油管接触部分被向下拉扯，但由于摩擦力小，橡胶的流动性较好，所以更多被挤压下来的橡胶恢复至原顶部位置，位移变大为127.1mm。橡胶的应力继续变小，为11.05MPa。

建立系统胶芯橡胶应力与加载时间关系曲线。在油管下放初始阶段，接箍并未接触胶芯时，胶芯中橡胶的应力变化范围为7.73～12.17MPa。0.024s时，接箍开始接触胶芯，致使在这之后胶芯应力波动性升高，0.034s时，橡胶应力达到极值23.9MPa。之后应力又呈波动性下降，直到0.058s时，接箍完全脱离胶芯后应力会随着胶芯恢复至初始封井状态而趋于稳定，胶芯中橡胶的应力变化范围为8.32～11.97MPa。该关系曲线图中，应力在大部分时间内均低于其屈服强度23.8MPa，胶芯不会因应力过大而损坏。

在下管过程中，该系统胶芯橡胶的接触应力值变化比较稳定，说明其对井下气体的密封更加稳定，而且对胶芯的损伤降低，增大了胶芯的使用寿命。