配水器外密封装置研制与应用

2021-03-26顾明峰

石油矿场机械 2021年2期

张鑫，李达，顾明峰，李然

(1.江苏油田矿业开发有限公司，江苏扬州 225009；2.盐城市金巨石油机械制造有限公司，江苏盐城 224052 ； 3.盐城工学院汽车工程学院，江苏盐城 224002)

分层注水技术是目前国内油气田开采工程中的重要技术[1]。该技术主要通过封隔器将不同渗透率的地层进行分隔，并根据各地层的不同压力需求，采用配水器调配注水量，实现对各地层能量补充[2],如图1所示。配水器对地层压力的调节起着至关重要的作用，须定期从井下起出进行检修[3-4]。目前，油气田中应用较多的是偏心式配水器[5]，其上、下两端通过接箍和油管相连接，起出方式和油管起出相同。为防止放喷作业造成底层能量下降，此类井绝大多数采用带压作业[6]。然而，在带压起出作业过程中，因压力作用，使配水器注水嘴处泄漏严重[7]，无法满足作业现场环保指标要求，且压力过大时，易对工作台上拆卸工人造成人身伤害。因此，带压起出配水器时需对其水嘴处进行密封，传统的配水器密封方法主要通过投注堵塞器封堵，实现对配水器的内密封。然而，堵塞器结构复杂，投注难度较大，且由于管柱内壁水垢及井下装置的锈蚀等环境因素的制约，导致该密封方法效果不佳、安全性能不足等问题[8]。

笔者通过对现有配水器密封技术的优势和局限性进行深入剖析，并结合带压作业现场实际应用的需求，研制了一套高性能的配水器外部密封装置，且通过现场试验，验证了所设计的外密封装置的有效性。

图1 分层注水原理

1 配水器外密封装置结构原理

1.1 结构

配水器外密封装置主要由上壳体、密封壳体、自封胶芯、防窜卡瓦、限位挡圈、复位弹簧、下壳体等组成，如图2所示。其中，密封壳体两端分别同上、下壳体通过螺纹连接，且密封壳体两端内腔分别设有自封胶芯。下壳体内腔设有6个呈环形分布燕尾槽导轨，并在导轨上安装6片规格相同的防窜卡瓦，下壳体螺纹连接端顶部装有限位挡圈，在限位挡圈与密封壳体之间装有复位弹簧。由于偏心配水器上注水嘴位置不一，为提高外密封工具的通用性，将注水嘴位置统一划分成配水器上半段和下半段2个区域，并根据这两个区域分别设计了2种规格的外密封装置，2种装置结构的主要区别在于防窜卡瓦与自封胶芯的相对安装位置的不同，其余部分的结构基本保持不变。

1—下壳体；2—防窜卡瓦；3—限位挡圈；4—复位弹簧；

1.2 工作原理

配水器外密封装置上壳体的内径大于油管接箍的外径，小于配水器本体直径。整个装置外径小于带压作业井口装置防喷腔的直径。在预知配水器将要到达的前期，将该装置下入带压作业的防喷腔内，坐在井口大四通底部。配水器外密封装置不影响油管的正常起出作业。待起到偏心配水器时，其从底部进入外密封装置的内腔，带动下壳体上的楔形式防窜卡瓦沿着燕尾槽轨道向上滑动。由于6片楔形卡瓦下端形成的环形空间比上端环形空间大，其向上滑动过程中对配水器的阻力相对较小，因而配水器能够顺利进入外密封装置内腔。配水器完全进入外密封装置时，外密封装置上壳体台阶能够将其挡住，使其无法继续上行。此外，卡瓦上滑时还推动限位挡圈挤压复位弹簧，当挤压到一定程度时，复位弹簧给卡瓦向下的作用力使其向下滑动，此时卡瓦对配水器摩擦力增大，能够将配水器紧紧夹住，避免其因管内压力作用造成向上窜动，进而达到对配水器限位的目的。随着管柱的上提，配水器和配水器外密封装置一起离开带压作业防喷腔，到达井口上部。由于配水器水嘴处于上、下自封胶芯之间，形成环形密封空间，进而实现对配水器的外密封作业。

1.3 技术参数

以油管接箍外径ø89 mm，配水器外径ø114 mm，带压作业井口装置防喷腔直径ø186 mm为例。

外形尺寸

ø170 mm×600 mm

最大通过工具直径尺寸

ø94 mm

外密封装置额定承压

21 MPa

外密封装置整体质量

<45 kg

自封胶芯材料

丁晴橡胶

2 防窜卡瓦组件结构与力学性能分析

防窜卡瓦是配水器外密封装置的关键部件，其作业性能直接决定外密封装置的安全。综合考虑作业空间及制造成本等问题，设计了单向自锁式卡瓦实现对配水器的夹持动作。为确保设备的实用性能和安全性能，需进一步对防窜卡瓦组件进行力学性能分析[9-10]。

2.1 防窜卡瓦组件结构

防窜卡瓦组件由6片规格相同的防窜卡瓦、下壳体、限位挡圈、复位弹簧等组成，如图3所示。

1—复位弹簧；2—限位挡圈；3—下壳体；4—防窜卡瓦。

从图3可以看出，6片防窜卡瓦均匀分布在外密封装置下壳体的燕尾槽轨道内，相邻两片卡瓦之间的夹角呈60°，且每片卡瓦与配水器的接触包角为36°。

2.2 防窜卡瓦受力分析

分析防窜卡瓦力学性能之前，需综合考虑整套外密封装置的受力情况。其中，在额定压力作用下，外密封装置整体受到最大冲击力为：

(1)

式中：Fmax为外密封装置受到的最大冲击力；pe为外密封装置额定承载压力；A为环形空间受力面积；R1为外密封装置的内径；R2为配水器的外径。

防窜卡瓦若要满足对配水器的夹持需求，其卡瓦牙与配水器外壁间的摩擦力大小应满足：

Ff≥Fmax-G

(2)

式中：Ff为卡瓦牙与配水器外壁间的摩擦力；G为外密封装置整体重力。

由于6片卡瓦规格尺寸均相同，且在外密封装置环形空间内以等角度均匀分布，因此其受力大小基本一致，故选取单片卡瓦为研究对象进行受力分析，如图4所示。

图4 单片卡瓦受力示意

配水器外密封装置相对配水器向上窜动时，单片卡瓦所受的轴向载荷为：

(3)

式中：n为防窜卡瓦组中的卡瓦片数。

根据受力平衡可知：

(4)

式中：N1为配水器对单片卡瓦的径向载荷；F2为卡瓦与燕尾槽轨道之间摩擦力；α为卡瓦楔角角度；N2为外密封装置下壳体对单片卡瓦的作用力。

根据摩擦定律可得：

(5)

式中：f1为配水器与卡瓦间的摩擦因数；f2为卡瓦与燕尾槽轨道之间的摩擦因数；b为卡瓦与燕尾槽轨道接触宽度；g为重力加速度；β为卡瓦与燕尾槽轨道之间的摩擦角度。

联立式(3)～(5)可解得N1和N2分别为：

(6)

通过上述计算分析可知，防窜卡瓦力学性能主要受卡瓦楔角α、摩擦角β及斜面宽度b等参数取值的影响。综合考虑带压作业实际工况，选取防窜卡瓦楔角为α=10°，防窜卡瓦与燕尾槽轨道间的摩擦角β=10°，防窜卡瓦楔形斜面宽度b=0.03 m。因此，可计算出卡瓦与配水器间的临届摩擦因数f1为0.1。根据工程经验和加工条件，本装置选取接触表面摩擦因数为0.3的沟槽式的卡瓦，以满足配水器的卡紧和密封作业要求。