机械式大通径尾管封隔器的研制及试验

孟凡华，张明，张启龙，刘禹铭，赵克贤，闫伟

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300459；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

随着石油行业分支井完井技术的快速发展，国内已实现TAML5[1-3]级完井[4-6]，在TAML5级完井分支井眼尾管固井作业中,由于尾管与上层套管重叠段不能形成有效密封,经常会出现异常地层压力或水泥浆失重产生的高压油气水侵入到未完全凝固的水泥浆内形成窜流通道,致使油气井在后期钻进或生产中井口带压影响施工,严重的可造成全井报废甚至发生安全事故[7-9]。将尾管顶部封隔器技术应用到分支井尾管固井作业中,可有效阻断重叠段附近环空井段的压力传递,阻止环空气窜向上部运移,提高固井质量[10-12]。为达到以上目的，针对性的研制了9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器，并进行了相关试验。

1 技术分析

1.1 设计原则

在设计9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器时，遵循以下设计原则：（1）工具最小内径大于等于172 mm；（2）确保胶筒在120℃下稳定工作，不发生失效；（3）确保下压27 t，工具能顺利坐封；（4）封隔器密封压力20 684 kPa以上。

1.2 工具结构

9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器主要由回接筒、密封机构、防退机构等组成。具体结构如图1所示。

图1 9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器结构示意图

1.3 工作原理

将该型封隔器下入到设计位置并完成下部悬挂器坐挂、注水泥固井等操作后，在送入钻具重力的作用下，封隔器的膨胀锥向下楔入到可膨胀金属骨架内，使金属骨架发生径向形变，减小封隔器外径与上层套管内径之间的间隙，将橡胶层挤压到上层套管上形成可靠的环空密封[13-15]。

1.4 主要技术参数

最大外径：213 mm。

最小通径：173 mm。

适用套管外径：216.8～224.4 mm。

耐温：150℃。

密封压力：20 684 kPa。

坐封下压吨位：27～30 t。

1.5 关键技术

将该型封隔器下入到设计位置并完成下部悬挂器坐挂、注水泥固井等操作后，在送入钻具重力的作用下，封隔器的膨胀锥向下楔入到可膨胀金属骨架内，使金属骨架发生径向形变，减小封隔器外径与上层套管内径之间的间隙，将橡胶层挤压到上层套管上形成可靠的环空密封。

1.5.1 可膨胀技术骨架

9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器利用金属膨胀技术设计出了膨胀式环空封隔技术，密封单元采用可膨胀金属骨架式结构，由膨胀金属骨架上部硫化橡胶胶筒加工而成。可膨胀金属骨架外侧加工有多个不规则环形结构,并在不规则环形结构表面硫化了橡胶层,可防止胶筒在承受较大轴向压差时从金属骨架脱落[16-17]。如图2所示，该结构外形尺寸较小,极大地降低了由于高循环排量引起抽吸作用而造成的封隔器提前坐封,其允许的井下环空流体循环排量最高可达2 .7 m3·min-1，降低了封隔器胶筒在入井过程中的机械损坏几率，极大地提高了封隔器的可靠性。

图2 膨胀式环空密封实物图

1.5.2 防退技术

如图3所示，该型封隔器的防退机构采用双面锯齿卡环结构，卡环内外表面设计有锯齿螺纹,内部细齿螺纹与本体上的螺纹啮合,起防止相对位移的作用,外表面粗齿螺纹与膨胀锥套上的螺纹相配合[18]。当封隔器承受轴向压差而产生回弹趋势时,膨胀锥套通过螺纹将卡簧压紧在本体上,提高防退和承压性能,降低封隔器回弹风险。

图3 防退机构示意图

2 工具强度校核

工具设计完成后，对工具关键部位进行强度校核，验证工具在井下实际工况下能否满足强度要求，本工具在作业工程中主要受力部件为心轴，井下工况主要为抗拉和抗扭，因此，通过有限元软件，分别模拟心轴的抗拉和抗扭情况，结合实际作业工况判断工具安全性[19-21]。

2.1 有限元模型建立

封隔器心轴选用的材料为42CrMo，其屈服强度为930 MPa。心轴的有限元模型如图4所示，通过前处理使其生成高质量网格，该模型单元大小为17.242 1，单元总数为54 411，节总数为10 701。

图4 机械式大通径尾管封隔器心轴有限元模型

2.2 强度模拟校核

通过有限元方法分别对心轴的抗拉及抗扭强度进行校核，其应力分布情况如图5所示：拉力为100 t时，最大屈服强度为509.4 MPa；扭矩为40 kN·m时，最大屈服强度为523.1 MPa，抗拉与抗扭强度都满足要求。

图5 心轴抗拉与抗扭测试时应力分布情况

3 试验研究

3.1 胶筒高温试验

胶筒高温试验主要是验证皮碗式胶筒在高温下的密封性能。如图6所示，将高温试验特制工装与胶筒组合后置于高温加热筒中，加热介质为导热油，在加热筒中加热至125℃；分别升高胶筒封隔区上部区间及下部区间压力，验证密封性能。高温试验结果见表1，由此可知，在高温125℃条件下，胶筒橡胶可实现双向25 MPa高温密封，密封性能良好。

图6 试验工装及胶筒

表1 试验数据总结

3.2 整机常温试验

整机常温试验的目的是对组装完成的9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器进行坐封及验封试验。

如图7所示，利用工装对封隔器进行坐封，在拉拔试验台架上下压30 t，将封隔器坐封在9-5/8″套管内壁。

图7 封隔器坐封试验

坐封完成后，进行压力密封测试，如图8所示，分别验证封隔器胶筒封隔区上部区间及下部区间密封压力。试验数据见表2，结果表明，该封隔器机械坐封简单，坐封后双向可实现20 MPa密封，密封性能良好，且胶筒无明显损伤，如图9所示。

图8 封隔器验封试验

图9 试验完成后的胶筒情况

表2 打压试验数据

3.3 入井试验

入井试验的目的是对组装完成的9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器进行井下使用进行检验。

利用送入工具将封隔器下入到位，投球打压，送入工具脱手，上提内层管柱，下压坐封工具30 t，封隔器坐封，环空打压5 MPa，稳压5 min，封隔器密封效果良好。

4 结论与建议

1）针对TAML5级完井分支井眼下尾管出现的各种问题，设计研发了一套9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器，旨在解决分支井眼尾管固井问题，保证尾管固井质量。

图10 准备下入的封隔器

2）利用有限元数值模拟的方法研究了工具抗拉、抗扭条件下的受力情况，模拟结果表明工具可满足实际情况作业时的抗拉和抗扭的强度要求。

3）胶筒高温试验和整机坐封验封试验表明：9-5/8″套管用机械式大通径尾管封隔器坐封简易稳定，常温至120 ℃下可承压25 MPa。

4）目前工具仅完成1此现场试验，尚需增加试验应用井次，并跟踪使用情况，尽快使该工具推广应用。