馬力
(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院 陜西 西安 710065)
擴張式封隔器膠筒的研究現(xiàn)狀綜述
馬力
(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院 陜西 西安 710065)
石油工業(yè)的發(fā)展,帶動了石油機械裝備的發(fā)展,在鉆井或完井后對油氣層進(jìn)行測試時,為了獲得動態(tài)條件下地層和液體的參數(shù),封隔器作為主要的井下工具被大量的運用到測試中。而使其安全有效的工作是保證油氣井作業(yè)的關(guān)鍵,其工作性能的好壞直接影響著油田的生產(chǎn)成本和企業(yè)的經(jīng)濟效益。已有大量學(xué)者采用有限元方法對封隔器膠筒的力學(xué)性能做了研究,為封隔器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、坐封方式、膠筒材料的選擇等提供了理論和建議。所謂“封隔器”,指的是具有彈性密封元件,并借此封隔與套管間的環(huán)形空間,實現(xiàn)各種作業(yè)的堵封要求,以控制產(chǎn)業(yè)柱的井下工具。
擴張式封隔器;膠筒;研究現(xiàn)狀
封隔器作為一個關(guān)鍵井下工具廣泛應(yīng)用于油氣井作業(yè)過程中,但目前國產(chǎn)封隔器的性能還存在以下一些問題:封隔器承壓能力低,坐封復(fù)雜,密封性能差,膠筒不耐高溫,使用壽命短,維護(hù)投資過大。擴張式封隔器,其特點為懸掛式固定,液壓坐封,液壓解封,靠膠筒向外擴張來封隔油和套管的環(huán)形空間。其工作原理是中心管憋壓,當(dāng)壓力到達(dá)一定值后,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。封隔器坐封后所能承受的壓差和溫度關(guān)鍵取決于膠筒材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其肩部保護(hù)機構(gòu)。膠筒壓裂、扯斷、掉落、肩部損毀是造成封隔器密封失效的很大一部分原因,尤其在高溫、高壓井中,封隔器工作環(huán)境惡劣,受力復(fù)雜,膠筒很容易失效。
隨著我國油氣田開發(fā)不斷向深井超深井方向發(fā)展,油井產(chǎn)層分布越來越復(fù)雜,這樣使得石油開采條件日漸復(fù)雜,以致鉆采和生產(chǎn)工藝不斷向耐高溫耐高壓方向發(fā)展,對封隔器性能提出了更高的要求,這也給國內(nèi)研究工作者對以后封隔器的研發(fā)指定了新的方向,即在結(jié)構(gòu)方面設(shè)計更簡單,密封材料具有更好的彈性;在性能方面更優(yōu)良,針對各種復(fù)雜的井下工況,使用更廣泛,工作壽命得到更大的提高。目前國內(nèi)工作人員針對封隔器的研究工作主要集中在封隔器數(shù)值模擬和參數(shù)計算(包括封隔器系統(tǒng)受力分析、密封膠筒元件在井下工作時的性能分析)等幾個方面。而針對封隔器膠筒有這些方面的研究:
1994年,Rivin E I,Lee B S兩人對受壓橡膠元件的應(yīng)力-應(yīng)變以及蠕變特性進(jìn)行了實驗研究[1],并推導(dǎo)出橡膠硬度與彈性模量關(guān)系式。1996年兩人在94年研究的基礎(chǔ)上,對橡膠元件做了有限元分析。
2008年張峻,陰川生等針對K344封隔器密封壓差低,抗蠕動性能差等問題,建立了分離式雙膠筒和加鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2]。他的優(yōu)化思路為:封隔器坐封時,2個膠筒向外膨脹,當(dāng)膠筒接觸到套管時,在兩個膠筒間形成一個密閉區(qū),坐封壓力上升。封隔器坐封后,2個膠筒之間的壓力始終保持最高坐封時產(chǎn)生的壓力,當(dāng)注水壓差較大時,由于2個膠筒間形成高壓密閉區(qū),可保證其中一級膠筒兩端為低壓狀態(tài),有效提高了封隔器的密封壓差。
2010年,王治國,王在強等為滿足水平井多段分層壓裂的有效封隔及特殊井作業(yè)的需要,對K344封隔器的膠筒結(jié)構(gòu)、安裝方式及膠筒座肩部等進(jìn)行了改進(jìn)[3]。文章將膠筒肩部夾角增大,縮小肩部空隙,以減小應(yīng)力集中;改變了膠筒兩端固定方式,采用一端固定另一端浮動密封,降低了啟動坐封壓力,減小了膠筒擴張后的應(yīng)力,提高了膠筒性能。
2014年,程心平用ABAQUS軟件對擴張式封隔器膠筒進(jìn)行了力學(xué)行為分析,并對封隔器膠筒進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[4]。其結(jié)果表明,隨著溫度的升高,橡膠材料的強度會變?nèi)酢.?dāng)封隔器處于工作狀態(tài)時,膠筒肩部變形最大,伴隨著壓力的增加,變形的趨勢減緩,應(yīng)變能密度函數(shù)與工作壓力基本呈直線關(guān)系。
通過調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)學(xué)者對擴張式封隔器膠筒進(jìn)行的研究主要包括質(zhì)量問題、強度和密封性能這些方面。
其中質(zhì)量問題和強度都與材料的選擇和補強有關(guān)系。封隔器的材質(zhì)選擇一般要考慮這幾點因素:一是膠筒的性能要求,包括強度、硬度、韌性、彈性、耐磨性能等;二是膠筒的防腐性能要求;三是選用材料的熱處理行能、可加工性能;四是選用材料的來源和價格。封隔器對金屬材料的要求主要決定于井下環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能要求。在國內(nèi),可取式封隔器剛體常用的金屬材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素鋼45、合金鋼結(jié)構(gòu)35CrMo、彈簧鋼60Si2Mn等。而密封材料通常為合成橡膠,常用的橡膠材料有氯丁膠、丁腈橡膠和氟橡膠。在補強這一塊,往往是對膠筒進(jìn)行補強,一般會在膠筒中加入其他材料如尼龍簾線、聚酯簾線、鋼絲簾線和疊加鋼片等,然后用大型有限元軟件對其進(jìn)行對比分析。目前對補強這一塊雖有了一些嘗試,但依然有許多的問題存在,面對復(fù)雜的井下工礦,仍然不能完全滿足需求,那么對膠筒進(jìn)行補強是值得探索的一個重點。
而對于封隔器密封性能方面,除了與材料有關(guān)系還與封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)系,一般會考慮膠筒的厚度、高度、肩部傾斜角對密封性能的影響,往往會設(shè)計一個較優(yōu)的尺寸,來使得在坐封力足夠小的情況下同時使膠筒與套管接觸應(yīng)力足夠大?,F(xiàn)階段在尺寸優(yōu)化方面,依然還有很多值得改進(jìn)的地方。
封隔器常見問題可歸納為:①隨著井下工作時間的延長,封隔器密封件不斷老化損壞,造成封隔器不密封;②套管彎曲變形、腐蝕,造成封隔器不密封;③封隔器的卡封位置不準(zhǔn)確;④封隔器最后無法解封[5]。
現(xiàn)場實踐表明封隔器失效的誘因為:①由于管柱震動的影響,導(dǎo)致卡瓦位置滑動,封隔器膠筒失效,生產(chǎn)中則表現(xiàn)為油井工作一段時間后含水上升。②經(jīng)多次作業(yè)坐封,套管易受到損傷,卡封使局部套管內(nèi)徑變大,形狀不規(guī)則,當(dāng)封隔器膠皮脹開后膠皮與套管之間存在間隙,不能有效地封堵油套環(huán)空。
針對膠筒失效給出的防治措施包括:優(yōu)化封隔器膠筒尺寸,使用耐溫、耐壓、抗剪切性能好的橡膠材料,并且采用特殊的防凸保護(hù)和肩部保護(hù)裝置等??梢园l(fā)現(xiàn),在封隔器使用中出現(xiàn)的問題并不只是封隔器自身可靠性的原因,封隔器作為連串作業(yè)的一個關(guān)鍵組成部分,很大程度上受到其他錨定、支撐組件和油套管的影響。實際應(yīng)用中不應(yīng)該過分強調(diào)封隔器自身組件的可靠性,而擱置其他條件。
封隔器作為重要工具,本身價值不高,但和其他工具的組合價值高,且對施工至關(guān)重要,油田各生產(chǎn)單位應(yīng)予以充分重視。應(yīng)在以下方面予以加強:
(1)加強封隔器膠筒尺寸和材料方面的研究。
(2)把封隔器設(shè)計工作精細(xì)化, 應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計方法和制造技術(shù),把對封隔器單一部件的關(guān)注轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)部件的配合使用效果上。
(3)目前封隔器的使用數(shù)據(jù)太分散, 而小改過于頻繁,應(yīng)加大原理性的研究。
[1] Lee B S,Rivin E I. Finite Element Analysis of Load-Deflection and Characteristics of Compressed Rubber Components for Vibration Control Devices [J].Journal of Mechanical Design,1996, 118(9):328-335.
[2]張峻,陰川生等.K344型注水封隔器封層性能優(yōu)化研究[J].石油機械,2008,36(7):63-65.
[3]王治國,王在強等.K344-108型小直徑封隔器的改進(jìn)與應(yīng)用[J].石油機械,2010,38(8):40-42.
[4]程心平.擴張式封隔器膠筒力學(xué)性能分析[J].石油機械,2014,42(6):72-76.
[5]范青,陳永紅.衛(wèi)瑋.膠筒損壞失效分析[J].油氣井測試,2014,10:23-28.
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