李 斌 王大江 劉 軍

中國石化江漢油田分公司 采油工藝研究院 （湖北 潛江 433123）

K344封隔器質(zhì)量改進(jìn)研究

李 斌 王大江 劉 軍

中國石化江漢油田分公司 采油工藝研究院 （湖北 潛江 433123）

針對目前K344封隔器在壓裂施工中存在的質(zhì)量問題，將PDCA質(zhì)量管理方法應(yīng)用于K344封隔器質(zhì)量改進(jìn)過程。在運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法對現(xiàn)場問題歸類的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行原因分析，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用試驗(yàn)研究方法驗(yàn)證。改進(jìn)結(jié)果表明：優(yōu)化后K344封隔器結(jié)構(gòu)更加合理，易于組裝，下入、坐封可靠性更高。

封隔器 質(zhì)量改進(jìn) 中途坐封

目前中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院（以下簡稱江漢油田采油院）研制的K344封隔器在油田得到了廣泛應(yīng)用。該封隔器具有密封性能好、承壓時(shí)間長、易解封等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效的解決分層壓裂管柱砂卡，封隔器不易解封，管柱難以起出的問題。該封隔器在現(xiàn)場應(yīng)用過程中出現(xiàn)過中途坐封的問題，在深井施工中出現(xiàn)坐封啟動壓力偏高以及組裝困難等問題。為有效解決上述問題，本文將PDCA質(zhì)量管理方法應(yīng)用于K344封隔器質(zhì)量改進(jìn)過程以提高封隔器的可靠性、降低質(zhì)量成本。采用調(diào)查表的方法分析質(zhì)量現(xiàn)狀、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量問題，并從設(shè)計(jì)角度針對K344封隔器存在問題進(jìn)行了深入分析。采取預(yù)防措施對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步開展了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，運(yùn)用試驗(yàn)研究方法驗(yàn)證K344封隔器改進(jìn)結(jié)果。

1 工作原理

1.1 K344型封隔器結(jié)構(gòu)

K344封隔器主要由上接頭、鎖簧、外套、活塞、中心管、擴(kuò)張式膠筒、浮動短接、下接頭等組成。

1.2 K344型封隔器工作原理

其工作原理是中心管憋壓，當(dāng)壓力到達(dá)10MPa后，在液壓的作用下活塞上行，剪斷坐封啟動銷釘。進(jìn)入鎖簧入鎖后，坐封進(jìn)液通道被開啟，液體進(jìn)入擴(kuò)張式膠筒與中心管的密封空間內(nèi)使膠筒膨脹坐封。中心管卸壓后，膠筒在自身的彈力的作用下回收，完成解封。

2 存在問題

采用質(zhì)量管理的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，以調(diào)查表的形式對已組裝的95套K344封隔器和已應(yīng)用的42井次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以分析質(zhì)量現(xiàn)狀。得出統(tǒng)計(jì)情況如表1、表2所示。

表1 K344封隔器組裝異常情況統(tǒng)計(jì)

表2 K344封隔器現(xiàn)場應(yīng)用異常情況統(tǒng)計(jì)

從表1、表2中可以看出，該封隔器總體上組裝、應(yīng)用一次成功率較高，但也出現(xiàn)了一些出現(xiàn)頻次較高的問題，主要表現(xiàn)在：

（1）封隔器組裝時(shí)啟動銷釘異常剪斷，不能正常工作，占組裝總數(shù)的17.9%。

（2）管柱下入過程中封隔器中途坐封，占現(xiàn)場應(yīng)用井次的7.1%。

（3）封隔器坐封過程中壓力異常偏高，占現(xiàn)場應(yīng)用井次的16.7%。

這些問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致在室內(nèi)組裝上需投入大量人力檢測和返工，影響組裝效率和最終產(chǎn)品質(zhì)量；導(dǎo)致封隔器在應(yīng)用過程中出現(xiàn)異常情況，造成一些不必要的重復(fù)作業(yè)，影響施工效率和質(zhì)量，如不解決上述問題、重視質(zhì)量成本，會給施工方造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 原因分析

產(chǎn)品質(zhì)量第一是設(shè)計(jì)出來的，第二是制造出來的，設(shè)計(jì)是造成產(chǎn)品質(zhì)量問題的首要原因，而檢驗(yàn)最終把關(guān)不能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。針對上述K344封隔器在現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度綜合運(yùn)用流體力學(xué)等專業(yè)知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對問題進(jìn)行原因分析。

3.1 中途坐封

封隔器下入過程中其內(nèi)部的液柱會引起水擊現(xiàn)象。發(fā)生水擊的物理原因主要是由于液體具有慣性及壓縮性，在管內(nèi)液體受到瞬間阻擋截?cái)鄷r(shí)，液體的壓縮性和慣性起著主要作用。慣性維持原來運(yùn)動狀態(tài)，故流速突然改變導(dǎo)致壓力的急劇變化。

由流體力學(xué)理論可知，管柱內(nèi)井液對封隔器產(chǎn)生的瞬時(shí)最大水擊壓差ΔP為

式中 ρ—井內(nèi)液體密度，kg/m3；

c—壓力傳播速度，m/s；

v內(nèi)—管柱內(nèi)井液上行的速度，m/s。

壓力傳播速度c為

式中E0—井液彈性模量，MPa；

D—管柱外徑，mm；

δ—管柱平均厚度，mm；

E—管柱彈性模量，MPa。

按照如下已知條件計(jì)算：

井液密度ρ為1.3×103kg/m3；最快下入速度v內(nèi)為4m/s；管柱彈性模量E為3×1011MPa；井液彈性模量E0為2.06×109MPa；28■″UP TBG油管管柱外徑D為73mm；管柱平均厚度δ為5.51mm。計(jì)算得到最大水擊壓差ΔP為20.96MPa。而設(shè)計(jì)坐封啟動銷釘?shù)募羟袎毫?0～15MPa,水擊壓差大于設(shè)計(jì)壓力。

當(dāng)封隔器下入速度過快時(shí)，在水擊效應(yīng)的影響下，液體在慣性下推動活塞運(yùn)動剪斷坐封啟動銷釘，從而封隔器內(nèi)液體壓縮膠筒使其鼓脹，造成中途坐封。

3.2 坐封啟動壓力偏高

活塞前后端面處有效面積不同，如圖1所示。套壓與油壓活塞有效作用面積比例為：

式中S套壓—油壓在活塞上的有效作用面積，m2；

S油壓—套壓在活塞上的有效作用面積，m2；

L—套壓與油壓活塞有效面積比例。

圖1 原K344封隔器活塞示意圖

以K344-114型封隔器為例，套壓與油壓活塞有效作用面積比例L=1.8，油壓推動活塞剪斷坐封啟動銷釘必須首先克服套壓的作用。在深井中套壓形成的活塞阻力會使得坐封啟動銷釘剪切壓力大大高于設(shè)計(jì)壓力。K344設(shè)計(jì)坐封啟動壓力是 10～15MPa，在深井施工中會出現(xiàn)30MPa才能剪斷銷釘情況，給深井施工帶來了風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 組裝不便

在封隔器的組裝過程中，裝在外套里面的銷釘，在剪斷后不易發(fā)現(xiàn)。特別是在銷釘剪切面直徑小至3mm，容易出現(xiàn)安裝外套時(shí)，碰撞活塞導(dǎo)致剪斷銷釘?shù)那闆r。這種設(shè)計(jì)給組裝、質(zhì)檢工作帶來了困難，降低了工作效率。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對K344封隔器存在的上述問題，依據(jù)PDCA質(zhì)量管理方法擬定改進(jìn)措施，在封隔器設(shè)計(jì)上采用預(yù)防手段，對其從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以期提高封隔器質(zhì)量，降低質(zhì)量成本。

4.1 K344型封隔器優(yōu)化改進(jìn)思路

通過優(yōu)化提高K344型封隔器對于復(fù)雜井況的適應(yīng)性。優(yōu)化思路為：增加防阻防水擊機(jī)構(gòu)，提高封隔器的可靠性；改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)，確保作業(yè)安全有序；調(diào)整坐封啟動銷釘位置，提高組裝效率。

4.2 K344型封隔器優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對K344封隔器設(shè)計(jì)輸出無法滿足設(shè)計(jì)輸入要求的情況，對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后的K344型封隔器主要由上接頭、擴(kuò)張式膠筒、外套、下接頭等組成。其中外套內(nèi)設(shè)計(jì)有防阻防水擊機(jī)構(gòu)。封隔器工作原理是：中心管憋壓，當(dāng)達(dá)到一定壓力后，活塞剪斷坐封啟動銷釘，同時(shí)使防阻機(jī)構(gòu)失去作用。坐封進(jìn)液通道開啟后，液體進(jìn)入擴(kuò)張式膠筒與中心管的密封空間內(nèi)使膠筒膨脹坐封。中心管卸壓后，膠筒在自身的彈力作用下回收，完成解封。

改進(jìn)后的K344型封隔器具有以下特點(diǎn)：

（1）增加了防阻防水擊機(jī)構(gòu)，提高了K344封隔器的可靠性。為了避免在封隔器下井過程中出現(xiàn)中途坐封，在原有K344封隔器的基礎(chǔ)上，增加了防阻防水擊機(jī)構(gòu)。首先，通過螺紋將外套、彈簧爪、下外套、下接頭和中心管連接為一體。在封隔器下入過程中遇阻或水擊上外套出現(xiàn)活塞效應(yīng)時(shí)，依靠鎖緊的彈簧爪固定的位置，阻止其推動膠筒膨脹。其次，合理增大坐封啟動銷釘尺寸。有效避免在封隔器內(nèi)出現(xiàn)水擊現(xiàn)象時(shí)，銷釘輕易被剪斷進(jìn)而開始坐封。

（2）改進(jìn)了活塞結(jié)構(gòu)，確保坐封壓力穩(wěn)定。為了有效提高封隔器在深井作業(yè)中的可靠性，保證按照工具設(shè)計(jì)的坐封啟動壓力順利施工，改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)，使得油套壓作用的有效面積相同。從而在油管加壓的情況下，活塞能夠按照設(shè)計(jì)壓力剪斷銷釘，使液體進(jìn)入擴(kuò)張式膠筒與中心管的密封空間內(nèi)開始坐封。

（3）調(diào)整了坐封啟動銷釘位置，便于質(zhì)檢和室內(nèi)試驗(yàn)的開展。為避免安裝外套時(shí)碰撞活塞導(dǎo)致剪斷銷釘?shù)那闆r出現(xiàn)，將坐封啟動銷釘直接安裝于外套上。調(diào)整銷釘位置后，可以在安裝外套后再安裝銷釘。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)既方便安裝外套，又便于銷釘?shù)陌惭b和檢查，有效地提高了組裝效率。在開展室內(nèi)銷釘剪切試驗(yàn)后，也方便更換銷釘，避免了反復(fù)拆裝封隔器。

5 優(yōu)化后的K344封隔器室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用情況

為檢查K344封隔器改進(jìn)計(jì)劃的執(zhí)行情況和實(shí)施效果，需要對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并記錄驗(yàn)證結(jié)果。對優(yōu)化后的K344封隔器通過開展一系列的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)以試驗(yàn)研究方法驗(yàn)證改進(jìn)后的封隔器性能指標(biāo)是否滿足現(xiàn)場使用要求。

5.1 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

對優(yōu)化后K344型封隔器的各項(xiàng)性能進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 優(yōu)化后K344型封隔器室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，優(yōu)化后K344型封隔器的工作參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化后的K344型封隔器系列技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

5.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2012年以來，優(yōu)化后的K344系列封隔器已在四川、玉門等油田成功應(yīng)用74井次，且施工結(jié)束后油壓、套壓平衡，封隔器按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)了解封。以合川125-8-斜2井為例，該井井深2 579m，最大井斜34.39°，2012年4月10日使用4套K344-114封隔器對該井須二井段2 548～2 552m、2 526～2 532 m、2 457～2 460m和2 428～2 431m進(jìn)行分4層加砂壓裂。

施工最高油壓75MPa，最高套壓26MPa，總加砂量90m3。在施工過程中，封隔器按照設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行有序作業(yè)。施工后順利起出封隔器，其形狀基本保持完好。表明改進(jìn)后的K344型封隔器能夠滿足分層壓裂有效封隔的要求。

表4 優(yōu)化后K344型封隔器技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié) 論

針對K344封隔器在現(xiàn)場應(yīng)用過程中存在的一些質(zhì)量問題，將PDCA質(zhì)量管理方法應(yīng)用于K344封隔器質(zhì)量改進(jìn)過程，以提高封隔器的可靠性、降低了質(zhì)量成本。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析質(zhì)量現(xiàn)狀，找出存在的質(zhì)量問題。從設(shè)計(jì)角度分析原因后采取預(yù)防措施對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過試驗(yàn)研究方法證明，改進(jìn)后的K344型封隔器有效地滿足了現(xiàn)場施工要求，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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PDCA quality management method is applied in the quality improvement of K344 packer in order to solve the quality problems of the packer in fracturing operation.The quality problems are classified using statistical method,and the causes of the problems are analyzed from the structural design of the packer.Then the structure of the packer is optimized.The test results show that the structure of the optimized packer is more reasonable,its assembly is easier,and its down-well and seating-seal are more reliable.

packer;quality improvement;seating seal

李斌（1983-），男，現(xiàn)主要從事井下工具研究工作。

2012-08-13▎