防砂封隔器试验研究

赵海杉 魏爱拴 周云华 刘禹铭 严孟凯

1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452

2. 中海石油（中国）有限公司天津分公司 周云华 天津 300459

由于海上油田的特点，大部分井都需要进行防砂作业，防砂技术是海上油气田大规模开发的技术前提。井下防砂工具能够实现有选择性防砂，确保原油顺畅流出。封隔器是防砂工具中最重要的一种工具，见图1。它的性能直接关系到防砂的成败，主要通过对封隔器的试验研究，分析总结试验现象，为后期工具研究提供依据。

图1 封隔器结构

1 封隔器技术要求

根据设计，9-5/8”改进型顶部封隔器技术要求是：适用于9-5/8”套管（40～47#），打压至3000Psi×5min坐封到位，坐封试验最大承载90t，然后验封5000psi×10min，不降为合格。下面计算套管内多大的压强会产生相当于90t的挂载力，经查阅手册，47#套管内径为220.5mm，其内径截面积为S=πr20.03871m2，压力等于压强乘以面积：F=P×S，即90×1000×9.8=P×0.03817，通过计算得出p=23.11MPa=3350Psi。同理，通过计算当验封5000Psi时，对卡瓦产生约134t的挂载力。因此，我们在对封隔器坐封后，进行验封，在3350psi时，将对卡瓦产生90t的压载力，并以此作为挂载试验。

2 试验过程

2.1 座封

座封程序：灌水连接管线，进行打压座封：500Psi×3min，1300Psi×3min，1800Psi×5min，2500Psi×5min。

表1 座封现象记录

2.2 验封

1）反向验封：套管组合：3.15m短套管+套管变扣接头9-5/8”BTCP×5-1/2”STCB+5-1/2”STCP×310+311×1/2”NPT。封隔器组合：封隔器+7-5/8”延伸筒（1.2m）+7-5/8”STC P X 7”STC P+7”STC B堵头。

反向验封现象：1600Psi之前观察到套管与胶筒环空漏水，高压时套管与胶筒环空不漏；3000psi以上漏压趋缓，判断是封隔器O圈或者封隔器组合的丝扣连接漏水；3350Psi时，封隔器未见轴向窜动，压力未降，经计算此时卡瓦挂载力为90t，故验证卡瓦合格。

2）正向验封：

正向验封工具组合：套管变扣接头9-5/8”BTCP*5-1/2”STCB+变扣5-1/2”STCP*变扣310+试压堵头311*1/2”NPT+2m短套管+3.15m短套管+套管变扣接头9-5/8”BTCP*5-1/2”STCB+变扣5-1/2”STCP*310

服务工具组合：盲堵3-1/2”EUEP+190-60正转脱手工具+盲堵3-1/2”EUEP

封隔器组合：封隔器+7-5/8”延伸筒（1.2m）+7-5/8”STC P X 7”STC P+7”STC B堵头，7-5/8延伸筒（长1.2m）是为封隔器接盲堵的变扣，（盲堵+正转脱手工具+盲堵）的作用是在当反向验封不成功时，正向验封时使用，以确定反向验封是胶筒漏还是坐封工具漏。

2.3 解封

封隔器左旋脱手无法脱手，封隔器本体可以自由转动，无法解封。用旋转车床切割套管，切割位置为距离卡瓦约2cm的下锥体处的套管。

3 试验现象分析

3.1 现象分析

根据试验中出现的连接套破裂，导向销剪断，以及坐封后部分工具拆卸困难等试验现象，分析说明如下：

在连接完成试压工具之后，封隔器上部套管内打压至4800Psi，心轴、锁环、连接套之间的作用力为75.77t，由于连接套承载力有限，在此作用力下连接套发生破裂，连接套破裂后锁紧机构失效，心轴、下锥体、导向销在此作用力下迅速下移，于此同时，卡瓦和卡瓦套仍固定在套管壁上，图纸测量可得心轴相对于上锥体的下移行程为48.2mm，其大于导向销此时的轴向行程28.1mm，致使两个导向销在心轴下移过程中发生剪切，此时卡瓦无下锥体支撑，锁环失效同时巨大撞击力可使上锥体脱离卡瓦，胶筒快速复位，套管内压力归0，因此胶筒密封和卡瓦悬挂全部失效。

由于撞击力产生的动能过大，使得上接头、心轴、脱手工具之间的连接螺纹被挤紧或挤损，以致无法常规拆卸。

综上所述，验证卡瓦悬挂力时需重点考虑锁环连接处的强度，避免锁环连接处的负载过大，防止锁环失效引起巨大的冲击动能，进而保证试验的准确性和安全性。

3.2 验封工况下受力计算

反向和正向验封后，发现套管坐封位置鼓胀了3mm，3mm的扩径（约223mm）小于40#套管224.4mm的内径，本封隔器为40～47#通用封隔器。结合上面分析认为套管的膨胀和封隔器的窜动没有关系。

（1）已知条件

套管规格为9 5/8” 47# N80套管，内径为220.5mm，套管的内屈服压力为47.3MPa，管体屈服强度为483MPa，验封压力为4500Psi和4800Psi两种工况，设定坐封轴向推力为F，设定每片卡瓦对套管径向推力为N，设定卡瓦与套管直接的摩擦因数为f，取上、下锥体与卡瓦牙的摩擦因数为f1=0.1，卡瓦牙片数为n=6。

（2）受力分析

a）求解验封为4800Psi工况下的轴向推力

b）求解验封为4500Psi工况下的轴向推力

c）求解每片卡瓦对套管的径向推力N

验封过程中，上锥体和卡瓦牙的受力分析如下图所示

根据图2和图3建立受力平衡方程，经过力学换算该工况下的受力结果如下：

图2 上锥体受力分析图

图3 卡瓦牙受力分析图

（3） 验封为4800Psi工况下的有限元分析

添加实际验封工况条件后，以套管本体为研究目标，提取套管上应力分布如图4所示。

图4 套管受力分析

为了进一步观察计算结果，通过软件后处理，筛选得到高于管体屈服应力的应力值分布如图5所示。

图5 卡瓦坐封位置应力分布

如图5所示，卡瓦牙坐封位置环形一周的局部应力分布为500～750MPa均高于管体的屈服强度，故套管会发生屈服变形，径向尺寸增大。

（4） 验封为4500Psi工况下有限元分析

如下图所示，添加实际验封工况条件后，以套管本体为研究目标，提取套管上应力分布如图6。

图6 套管上应力分布

为了进一步观察计算结果，通过软件后处理，筛选得到高于管体屈服应力的应力值分布如图7所示。

图7 卡瓦屈服变形

如图7所示，卡瓦牙坐封位置环形一周的局部应力分布为500～700MPa均高于管体的屈服强度，故套管在此工况下也会发生一定的屈服变形，但比较4800Psi工况下的应力、应变值分布均值偏小。

4 结束语

1）本次试验的主要目的是验证改进型封隔器坐封到位后卡瓦的轴向承受能力，设计要求满足90t的挂载力（套管内打压至3350Psi），实际试验结果达到120.6t（套管内打压至4500Psi×10min），故封隔器坐封到位后卡瓦的轴向承载能力满足设计要求。

2）封隔器坐封到位后的胶筒试压，设计要求满足5000Psi×10min的胶筒承压，实际试验结果达到上部试压4500Psi×10min，且试压过程中压力保持稳定，由于试验条件不理想，无法继续验证至设计参数，但根据以往实践经验和该胶筒的密封原理，可判断改进型顶部封隔器胶筒坐封后满足设计要求。

3）为了验证改进型顶部封隔器各项设计参数的稳定性和可靠性，下一步需要再对改进型顶部封隔器进行地面功能试验，同时，经过首次改进型顶部封隔器的地面功能试验，我们发现了验证顶部封隔器功能参数更合适的试验方法，以及确定试验过程中更合理的试验参数。