張繼永，李越，李英松，陳磊，時營磊，于沖，張洪波

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在油氣田生產(chǎn)中，通常利用封隔器坐封在套管或裸眼中，用于封隔管柱之間或管柱與井眼之間的環(huán)形空間，阻止環(huán)形空間內(nèi)流體流動，從而達(dá)到穩(wěn)定注采的目的。封隔器根據(jù)不同的使用需求有以下幾種應(yīng)用：1）封隔套管射孔段或裸眼段，滿足分層防砂、儲層改造、控水堵水等作業(yè)需要；分層開采，防止層間流體竄通、壓力干擾，滿足采油（氣）井生產(chǎn)和注水的封隔作用。2）封隔油管與套管環(huán)空，起到保護(hù)套管和安全生產(chǎn)的作用。3）懸掛管柱的作用[1]。封隔器的種類有很多，按照坐封方式分為提放管柱坐封封隔器、轉(zhuǎn)動管柱坐封封隔器、自封封隔器、液壓坐封封隔器、井下服務(wù)工具坐封封隔器、熱力封隔器等。其中液壓坐封封隔器坐封程序簡單、結(jié)構(gòu)可靠，在油氣井注采過程中應(yīng)用較為廣泛[2]。對液壓坐封封隔器通常需要對封隔器進(jìn)行憋壓，在油氣井注采過程中普遍采用投撈堵塞器[3]或投球剪切球座[4]的方式配合井口打壓進(jìn)行封隔器的坐封。

在油氣田開發(fā)過程中，通常利用注水井向油層注水，以達(dá)到提高油氣田產(chǎn)量的目的。注水作業(yè)中需要下入生產(chǎn)封隔器以解決環(huán)空帶壓問題并起到保護(hù)套管的作用，生產(chǎn)封隔器屬于壓縮式封隔器，坐封方式為液壓坐封。利用鋼絲作業(yè)投撈堵塞器的方式坐封生產(chǎn)封隔器會占用井口時間并需要大量的人力物力，且受井斜限制，大位移井、水平井作業(yè)難度大。利用常規(guī)的球座配合鋼球?qū)ιa(chǎn)封隔器進(jìn)行封堵憋壓以坐封生產(chǎn)封隔器，球座打落后需要進(jìn)行反洗作業(yè)以將鋼球沖返井口，防止阻塞井筒，采用此種方式坐封生產(chǎn)封隔器容易導(dǎo)致坐封球離開球座內(nèi)錐面后會連同內(nèi)筒一起掉落，容易堵塞通道，形成井底落魚，甚至?xí)斐煽ㄣ@的風(fēng)險，給后續(xù)的作業(yè)增大難度，且剪切后需要反洗作業(yè)，作業(yè)步驟繁瑣[5]。為此，需要一種井下生產(chǎn)封隔器坐封工具來優(yōu)化注水管柱生產(chǎn)封隔器坐封過程，以達(dá)到簡化作業(yè)步驟、縮短作業(yè)時間、增大井筒適用性的目的。

1 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

液壓式坐封球座配套可溶球，應(yīng)用于注水井管柱生產(chǎn)封隔器的坐封。坐封球座內(nèi)置橋式通道，生產(chǎn)封隔器坐封打落球座后，流體可通過橋式通道通過，可溶球溶解后可恢復(fù)管柱通徑。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

液壓式坐封球座由上接頭、下接頭、球座、內(nèi)套、可溶球[6]、剪釘、密封圈、緊固螺釘?shù)攘悴考M成，如圖1所示。

1.2 工作原理

液壓式坐封球座工作原理示意如圖2所示，液壓式坐封球座內(nèi)置橋式通道，配套可溶球使用，可用于注水管柱生產(chǎn)封隔器的坐封。該工具上下與油管連接，隨油管下入，安裝在注水管柱的生產(chǎn)封隔器下端。生產(chǎn)封隔器坐封之前，管柱內(nèi)液體可通過主通道及橋式通道。當(dāng)需要坐封生產(chǎn)封隔器時，由井口油管投入可溶球，連接打壓裝置，將可溶球追球到位坐落到液壓式坐封球座的密封面，使得球座密封型面以上部分成為死腔，打壓至生產(chǎn)封隔器設(shè)計坐封壓力并保壓足夠時間。當(dāng)生產(chǎn)封隔器充分坐封之后，持續(xù)打壓使得球座的剪釘剪斷，支撐可溶球的球座向下移動，橋式通道打開，此時可溶球尚未溶解，主通道關(guān)閉，流體可通過橋式通道流動，不影響管柱過流。當(dāng)可溶球溶解到外徑小于球座內(nèi)徑時，可溶球落至井下，直至完全溶解，此時主通道和橋式通道均可過流。

圖2 液壓式坐封球座工作原理示意

2 坐封球座強(qiáng)度分析

2.1 坐封球座靜力學(xué)分析

液壓式坐封球座隨油管下入，作業(yè)及生產(chǎn)過程中在井下受力情況復(fù)雜，最危險工況會有高強(qiáng)度拉伸、扭轉(zhuǎn)、外壓載荷。綜合分析液壓式坐封球座各零部件，為增大過流面積，液壓式坐封球座的下接頭部分存在變徑且壁厚較薄，相對于其它零部件，液壓式坐封球座下接頭屬于最為薄弱部件，在薄弱位置會出現(xiàn)局部屈服和危險截面的局部區(qū)域應(yīng)力集中。故對液壓式坐封球座下接頭主要承受的拉、扭、外壓3種載荷進(jìn)行逐一分析，為簡化分析計算過程，略去摩擦力、彎矩、摩擦力矩等次要因素[7]。

2.1.1 坐封球座下接頭受拉伸力學(xué)模型

液壓式坐封球座下接頭抗拉強(qiáng)度[8]計算公式為

式中：σ為液壓式坐封球座下接頭受軸向力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，MPa；F為液壓式坐封球座下接頭所受軸向拉力，N；D為液壓式坐封球座下接頭外徑，mm；d為液壓式坐封球座下接頭內(nèi)徑，mm。

2.1.2 坐封球座下接頭受拉扭轉(zhuǎn)力學(xué)模型

液壓式坐封球座下接頭屬于空心圓軸，由材料力學(xué)知識可知最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[7]為

式中：τmax為液壓式坐封球座下接頭所受的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為液壓式坐封球座下接頭所受的扭轉(zhuǎn)力矩，N·m；R為液壓式坐封球座下接頭最大半徑，m；Ip為截面極慣性矩，cm4。

2.1.3 坐封球座下接頭受外壓力學(xué)模型

液壓式坐封球座下接頭屬于空心圓軸，其徑比K＞1.1～1.2，為厚壁圓筒，其三向應(yīng)力表達(dá)式[9]為：

式中：σr為液壓式坐封球座下接頭徑向應(yīng)力，MPa；σθ為液壓式坐封球座下接頭周向應(yīng)力，MPa；σz為液壓式坐封球座下接頭切向應(yīng)力，MPa；pi為液壓式坐封球座下接頭所受內(nèi)壓，MPa；p0為液壓式坐封球座下接頭所受外壓，MPa；Ri為液壓式坐封球座下接頭內(nèi)徑，mm；R0為液壓式坐封球座下接頭外徑，mm。

2.2 坐封球座下接頭有限元分析

2.2.1 坐封球座下接頭有限元分析模型

由式（1）～式（3）可得出液壓式坐封球座下接頭在受拉力、扭轉(zhuǎn)液壓式坐封球座和外壓載荷工況下的力學(xué)模型。以上下扣型為3-1/2 in EUE BOX～3-1/2 in EUE PIN、最大外徑為136 mm、最小內(nèi)徑為96 mm、長度為460 mm的液壓式坐封球座為例對其進(jìn)行有限元分析。已知該工具極端工況下所受最大拉力為921 kN，最大扭轉(zhuǎn)力偶矩為5310.4 N·m，最大外壓為21 MPa。

2.2.2 坐封球座下接頭有限元結(jié)果分析

將液壓式坐封球座下接頭導(dǎo)入ANSYS Workbench模塊，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。其中網(wǎng)格劃分方法選擇“Tetrahedrons”，網(wǎng)格劃分平均質(zhì)量為0.789 39。

圖3 液壓式坐封球座下接頭網(wǎng)格劃分

液壓式坐封球座材料選用42CrMo，材料密度為7.85 g/cm3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28，屈服極限為930 MPa。在ANSYS Workbench模塊中對液壓式坐封球座下接頭根據(jù)工況施加載荷關(guān)系，加載采用組合加載方式，最大拉力為921 kN，最大扭轉(zhuǎn)力矩為5310.4 N·m，最大外壓為21 MPa。

液壓式坐封球座下接頭仿真求解的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由應(yīng)力仿真計算結(jié)果可知，在組合載荷下液壓式坐封球座下接頭所受最大應(yīng)力為859.36 MPa，小于液壓式坐封球座本體材料的屈服極限應(yīng)力930 MPa，本體大部分應(yīng)力小于307.04 MPa，其應(yīng)力分布趨勢與彈塑性力學(xué)分析結(jié)果相符，在緊固螺釘安裝孔附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且遠(yuǎn)離圓孔區(qū)域上的應(yīng)力也隨之減小[7]。

圖4 液壓式坐封球座下接頭應(yīng)力分布圖

液壓式坐封球座下接頭仿真求解的應(yīng)變分布如圖5所示。由應(yīng)變仿真計算結(jié)果可知，在施加組合載荷的作用下，液壓式坐封球座下接頭最大變形量為0.283 92 mm，發(fā)生在上端部，此處最大變形量仍然處于材料彈性變形階段。由整體應(yīng)變仿真結(jié)果可知，在組合載荷的作用下，液壓式坐封球座下接頭具有一定的剛度，能夠滿足液壓式坐封球座的設(shè)計要求。

圖5 坐封球座下接頭仿真求解的應(yīng)變分布

3 坐封球座試驗驗證

3.1 試驗背景

海上某注水井管柱工具壓力等級21 MPa，管柱涉及生產(chǎn)封隔器，生產(chǎn)封隔器坐封過程中需滿足階梯穩(wěn)壓，即打壓3 MPa穩(wěn)壓5 min、打壓10 MPa穩(wěn)壓5 min、打壓17 MPa穩(wěn)壓15 min，封隔器穩(wěn)壓結(jié)束，繼續(xù)打壓至球座剪釘剪斷，最大壓力不超過21 MPa，球座剪釘剪斷后可進(jìn)行注水作業(yè)。

3.2 試驗分析

1）將坐封球座上下兩端分別連接試壓工裝，進(jìn)行本體壓力等級測試，打壓至21 MPa，試驗曲線如圖6所示。由圖6曲線可知，打壓至21 MPa坐封球座可穩(wěn)壓，說明坐封球座滿足壓力等級要求。

圖6 坐封球座本體壓力等級測試曲線

2）將坐封球座正放，投入可溶球后在上接頭端連接試壓堵頭，試驗實物連接如圖7所示。坐封球座階梯保壓及剪切測試曲線如圖8所示。由圖8測試曲線可知，坐封球座可實現(xiàn)3、10、17 MPa階梯穩(wěn)壓，當(dāng)打壓至20 MPa球座剪切，橋式通道過流。

圖7 試驗實物連接圖

圖8 坐封球座階梯保壓及剪切測試曲線

由以上試驗結(jié)果可以看出，所設(shè)計的坐封球座可滿足該注水井壓力等級下生產(chǎn)封隔器正常作業(yè)的坐封需求。球座剪切后球座不再憋壓，液體由橋式通道流向下端，球座剪切后可進(jìn)行正常注水作業(yè)。

4 結(jié)論

1）對坐封球座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并詳細(xì)闡述了該工具的工作原理，該工具可用于注水管柱生產(chǎn)封隔器的坐封，并且能夠保證生產(chǎn)封隔器充分坐封的同時減少作業(yè)時間、優(yōu)化作業(yè)步驟、增大井筒適用性。

2）采用ANSYS Workbench軟件對液壓式坐封球座在實際的工況下進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，在極限工況下液壓式坐封球座應(yīng)力小于材料許用安全強(qiáng)度，所設(shè)計液壓式坐封球座結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上能夠滿足實際工況下的正常使用要求。

3）經(jīng)試驗驗證，所設(shè)計坐封球座可滿足注水管柱壓力等級要求，可應(yīng)用于注水井生產(chǎn)封隔器的坐封。