稠油热采工艺配套紧凑型连续管悬挂密封装置的研制

傅登伟，邱福寿，翟亚锋，蒙永立

1.新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000

2.西部钻探工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000

稠油热力开采过程中，常常要依靠连续管井下测试来掌握井下温度和压力，实现温压调控，从而调整生产工艺。而在实际作业过程中，原有的连续管井口密封器存在以下问题：

（1） 因空间位置受限，原密封装置无法安装在火驱观察井。

（2） 因法兰不配套，原密封装置无法安装在新型SAGD 生产井。

（3） 因空间位置受限，无法配套带压提下密封装置供作业使用。

针对存在的上述问题，研制了两种规格型号 （φ19 mm 、φ32mm） 的紧凑型连续管井口悬挂密封器。解决了井口空间位置较小情况下连续管的悬挂密封问题，并且可配套带压提下装置作业，为超稠油热力开采工艺提供必要的井口设备支持。

1 工艺概述

稠油热采井井下测试工艺装置如图1 所示，主要包括注入头、悬挂密封装置、控制闸阀、工字法兰等。当对井下进行温压测试时，连接注入头，打开控制闸阀，下入测试连续管进行温压测试作业。测试作业完成后，上提连续油管，拆卸注入头，关闭控制闸阀，安装紧凑型连续管井口悬挂密封器。紧凑型连续管悬挂密封装置实现对测试连续管的悬挂及密封，保证测试连续管静态密封的可靠性[1]。

图1 井下测试工艺装置示意

2 悬挂密封器结构设计

2.1 技术参数

根据测试工艺需要，对密封装置的现场工况进行调研，确定设计参数[2]，密封杆柱直径为19/32mm、额定工作压力为21 MPa，热工况最高工作压力为14 MPa，热工况最高工作温度为240℃，介质为油、气、水。

2.2 结构设计及优化

根据测试工艺方案，紧凑型连续管悬挂密封器需要实现连续管的静态密封和悬挂功能，初步设计结构如图2 所示。

图2 测试管悬挂密封装置初设示意

该密封装置由压帽、盘根、卡瓦座、上下单级卡瓦构成，压帽与卡瓦座通过螺纹连接，螺纹压紧盘根，满足连续管测试作业时的静密封，同时通过两个单向卡瓦，实现连续管的悬挂。

考虑到现场作业高度和产品的整体性要求，对初步设计的悬挂密封装置进行了结构组合优化设计，优化后的结构如图3 所示。

图3 紧凑型连续油管悬挂密封器结构示意

优化后的悬挂密封装置设计耳式压盘及悬挂体结构，两者通过螺纹连接，解决了整个装置安装的空间位置限制。同时通过石墨盘根与铜隔环结合方式，采用螺栓压板式盘根密封，并可根据实际情况调节耳式压盘压紧螺帽，保证密封可靠。采用双向卡瓦结构实现连续管的悬挂。

3 关键零部件的三维建模及强度校核

3.1 三维建模及定义

采用Solidworks 进行实体建模，通过拉伸、旋转、拔模和剪切的功能对悬挂密封器主要承压部件盘根盒体、悬挂体进行模型建立，如图4 所示。

图4 盘根盒体、悬挂体有限元模型

3.2 条件约束及载荷施加

通过Workbench 软件对模型进行有限元模拟分析。根据流体走向，施加X 和Y 方向约束，在底部施加轴向Z 方向位移约束和X、Y 方向的旋转约束。利用软件中的Auto GEM（自动网格划分器）工具将模型自动划分为四面体有限元网格单元。

盘根盒体主要承受的载荷有压力载荷，其额定工作压力即设计压力为21 MPa，施加在内表面。端部连接的外部轴向载荷详见各端部的应力分析边界条件，压力载荷为介质接触表面的均布载荷[3]。

悬挂体除承受盘根盒体相同的载荷外，还承受螺栓载荷[4]。

由阀门设计计算手册知，钢圈在操作状态下需要的最小压紧力Fp为[5]：

最小螺栓载荷Wp1按下式计算：

式中：Dg为钢圈压紧力作用中径，mm；b 为钢圈有效密封面宽度，b=ω/8，ω 为密封环宽度，mm，按设计取值；m 为垫片系数，按手册取m=5.5；p为最高试验压力，MPa。

根据悬挂密封器的力学性能，确定材料选用30 CrMo，锻造成型，材料的相关参数如表1 所示。

表1 材料属性

3.3 分析计算及结果

通过Workbench 软件对主要承压零部件盘根盒体、悬挂体进行仿真模拟分析，分析结果云图如图5、图6 所示。

图5 盘根盒体有限元分析结果

图6 悬挂体有限元分析结果

由计算得到盘根盒体最大应力为48.2 MPa，悬挂体最大应力为34.5MPa，均小于许用应力276MPa，可判定其强度是安全的。

4 室内试验及现场应用情况

4.1 室内试验

完成装置加工及组装，并进行室内密封试验、卡瓦悬挂试验。装置组装及试验如图7 所示。

（1） 室内密封试验。对悬挂密封器进行室内密封试验，试验介质为清水，根据最高工作压力确定试验压力21 MPa，试验次数2 次，保压5 min，试验曲线如图8 所示。

图7 装置室内试验

图8 室内密封试验曲线

从图8 中可看出，保压期5 min 内，曲线平稳，可判定期间均无可见渗漏，验证了装置的密封效果。

（2） 卡瓦悬挂试验。对悬挂密封器的卡瓦进行悬挂试验，用拉力机对连续管施加载荷，观测卡瓦是否能支撑，结果如表2 所示。

表2 悬挂机构试验

从表2 可以看出：每组试验结果卡瓦无滑脱、无损伤，证明了卡瓦悬挂的可靠性。

4.2 现场应用

近年来，在火驱观测井口安装4 井次（FHG003、FHG004、FHG011、FHG012 井），SAGD 带压作业井口安装2 井次（FHW3044P、FHW3045P 井），解决了在狭小空间测试连续管悬挂密封的技术难题。通过现场跟踪验证，悬挂密封安全可靠，并且紧凑型悬挂密封器生产加工成本大大降低（同原来的悬挂密封器比较，加工费用由4 800 元降为1 000 元），结构紧凑且作业方便快捷（安装时间由原来的1 h 缩短到20 min）。

5 结论

本文根据测试工艺的需求，研制适合的紧凑型连续管井口悬挂密封器，完成了图纸绘制、结构优化设计。采用三维软件进行实体建模，利用Workbench 软件进行模拟分析，对其进行应力应变校核，其强度符合要求。通过室内、试验和现场应用，验证了该装置的可靠性，为超稠油热力开采工艺提供必要的井口设备支持。