高溫超高壓條件下的三腔壓力分隔裝置設計

羅友高,劉 剛,唐順杰,鄭相周

(1.武漢第二船舶設計研究所,武漢430064;2.華中農業大學工學院,武漢430064) *

高溫超高壓條件下的三腔壓力分隔裝置設計

羅友高1,劉 剛1,唐順杰1,鄭相周2

(1.武漢第二船舶設計研究所,武漢430064;2.華中農業大學工學院,武漢430064)*

在高溫、超高壓條件下,3腔壓力在一個容器內難建立、難傳遞。設計了一套三腔壓力分隔裝置。該裝置結構簡單,能夠穩定建立3腔壓力,模擬地層環境及井筒壓力與孔隙壓力之間的有效傳遞。為射孔試驗提供可靠設備。

射孔;3腔壓力;高溫;模擬裝置

為了試驗射孔效能,需要模擬井筒內的3腔壓力[1]。在1個試驗用密封容器中建立3腔壓力不僅十分困難,而且在孔隙壓力和井筒圍壓之間也難以傳遞;即使建立了3腔壓力,其中起腔室分隔作用的橡膠套密封組件也非常容易損壞,導致試驗無法繼續進行。

本文提出了一種高溫、超高壓三腔壓力分隔裝置,可以有效克服現有模擬井射孔效能試驗裝置存在的缺陷。該裝置結構簡單實用,耐高溫高壓性能好,工作壽命長,不僅能夠穩定建立可模擬真實地層結構中井筒壓力、井筒圍壓和孔隙壓力,而且能夠實現井筒圍壓和孔隙壓力之間的有效傳遞。

1 結構

高溫超高壓三腔壓力分隔裝置如圖1,包括依次連接的中間隔離環、鋼套、連接法蘭和連接座等。中間隔離環內設有密封內環,中間隔離環外壁與高溫超高壓容器內壁之間設計有第1密封圈組件,中間隔離環內壁與密封內環外壁之間設計有第2密封圈組件;鋼套套壁上設計有通氣孔,鋼套內襯有橡膠套,橡膠套內安裝了水泥靶、砂巖靶和過濾器;連接法蘭與連接座之間設計有第3密封圈組件,連接座下端與高溫超高壓容器的底部密封頭之間設計有第4密封圈組件。

圖1 三腔壓力分隔裝置結構

2 功能

2.1 建立3腔壓力

三腔壓力分隔裝置安裝到高溫超高壓容器內,如圖2。在第1～4密封圈組件的共同作用下,可在高溫超高壓容器內部形成獨立的井筒壓力空間、井筒圍壓空間和孔隙壓力空間。將高溫超高壓容器加熱到設定的溫度,分別開啟井筒壓力空間進口、井筒圍壓空間進口和孔隙壓力空間進口,根據不同的需要分別施加不同的壓力值,3腔可相對獨立地建立壓力。如果采用負壓射孔方法,壓力值通常為:圍壓>孔隙壓力>井筒壓力[1]。

2.2 輔助功能

中間隔離環內側下端有與其螺紋連接的密封內環,其結構為碗型,既有利于保證射孔槍的外炸高距離,又有利于與中間隔離環內側下端的密封連接;增加的過濾裝置可有效防止射孔后砂巖顆粒進入到高溫超高壓容器及其管路中;鋼套的套壁上分布若干小孔,小孔在筒壁上沿圓周方向形成多圈,每圈小孔均勻分布,有利于橡膠套內、外2側的壓力傳遞和平衡。

橡膠套的外壁與鋼套之間留有縫隙δ1=0.3～0.8 mm,橡膠套的內壁與砂巖靶之間留有縫隙δ2= 0.5～2.0 mm,如圖3。橡膠套內外均留有一定的退讓空間,再通過鋼套均勻分布的小孔實現井筒圍壓和孔隙壓力之間的有效傳遞,提高模擬地層結構的真實性。

圖2 三腔壓力分隔裝置安裝位置

圖3 橡膠套內外間隙

2.3 提高使用壽命

鋼套及其內襯的橡膠套分為2段,相鄰2段鋼套及其內襯的橡膠套之間通過中間環形墊片和第3螺栓組件連為一體,且相鄰2段橡膠套的端部翻邊被壓緊在對應的鋼套端部與中間環形墊片之間。將鋼套和橡膠套分為較小的連接單元,不僅可增加鋼套的強度和剛度,而且可改善橡膠套的韌性、減小其損壞幾率,延長其工作壽命。特別是在橡膠套的端部翻邊與中間隔離環、連接法蘭和中間環形墊片的壓接處,由于橡膠套的彈性變形性能,可按需調整橡膠套的壓縮量,使之更好地密封。

連接法蘭的中間設計有螺紋連接的頂緊螺栓,頂緊螺栓的上端伸出連接法蘭并緊抵在過濾器的下端。可使過濾器有效防止射孔后砂巖顆粒進入到容器及管路中,頂緊螺栓則可有效固定過濾器上方的砂巖靶,既能防止射孔試驗時射偏孔,又能防止砂巖靶隨射孔沖擊方向移動。

3 強度校核及計算

3.1 外壓圓管許用應力

外壓圓管強度校核按 GB150計算[2]。在圍壓空間與孔隙壓力空間之間的裝置承受外壓,設計的圓管直徑為?159 mm。圓管有效厚度為20 mm,材料選用16 MnR,圓管長度為1 230 mm,最大壓差pc=20 MPa,最高溫度180℃,最高溫度下的許用應力和屈服應力分別為[σ]t=163 MPa,σts=310 MPa。則 D0/δE=7.95<20,L/D0=7.74,得A= 0.017 9,B=113。則許用外壓應力為

式中,σ0為應力。

取以下2值中的較小值,即

式中,σS為韌性材料的屈服極限。

代入數值得[p]=24.9 MPa>pc=20 MPa,滿足要求。

3.2 外壓圓管穩定性校核

設計中的圓管受均布周向外壓,需要對其進行穩定性校核[4]。

使用Laime簡化公式,圓筒的臨界壓力pK為

式中,S為圓筒的計算壁厚;D為圓管的直徑;E為材料的彈性模量。

代入數值得 pK>pc=20 MPa,滿足設計要求,不會出現失穩現象。

3.3 圓平板應力計算

中間隔離環屬于周邊固支圓平板,根據最大彎曲應力公式,截面最大徑向應力σr和最大環向應力σθ可按下式計算[3],即

式中,t為圓平板厚度,mm;D為圓平板直徑,mm;r為圓平板任一點的徑向坐標值;μ為泊松比。

當r=D/2時,應力最大,上2式可寫為

因此圓盤所承受的最大應力為:

若抗彎應力為σ,則其強度的條件為σmax≤σ。由此可求得圓盤的厚度計算公式為

其中,外部壓力 p=20 MPa,許用應力σ=150 MPa,直徑D=380 mm,代入上式,計算得t=59.6 mm。考慮安全系數,實際取2.5倍,即實際加工尺寸取t=150 mm。

4 試驗驗證

在180℃高溫下,容器中建立3腔壓力分別為:圍壓50 MPa、孔隙壓力40 MPa、井筒壓力30 MPa,加壓過程中3腔壓力值需滿足:孔隙壓力>井筒壓力,且其差值在10 MPa以內(負壓射孔);圍壓>孔隙壓力,且其差值在10 MPa以內。保溫保壓時間30 min。試驗數據如表1。

表1 試驗數據

試驗結果表明,該裝置能在高溫下建立3腔壓力,且波動壓力<0.8 MPa,成功為射孔建立試驗條件。

5 結論

1) 設計的三腔壓力分隔裝置通過簡易的機械聯接結構將中間隔離環、鋼套、連接法蘭和連接座可靠地組合為支撐體系,通過襯于鋼套內的橡膠套將模擬地層結構的主體水泥靶、砂巖靶和過濾器密封于其內,并結合多組耐溫耐壓密封圈組件將高溫超高壓容器分隔為井筒壓力、井筒圍壓和孔隙壓力3個獨立的腔室,其結構簡單可靠、腔室分隔穩定,有效解決了現有技術中在高溫超高壓條件下不易建立3腔壓力的問題。

2) 該裝置可以在射孔效能試驗中基本實現對較深地層結構狀態的真實全模擬,可用1～3發彈、在溫度 T≤200℃、壓力 p≤120 MPa的條件下建立3腔壓力來評價貝雷砂巖靶射孔孔眼的流動特性等目前國內還未開展的試驗研究,并可將該密封結構逐漸發展,應用于其他化工設備、壓力容器密封領域。

[1] API RP19B,Recommended Practices for Evalunation of Well Perforators[S].5th ed.(油氣井射孔器評價的推薦作法).梁 純,顧 軍,譯.2000.

[2] GB150—1998,鋼制壓力容器[S].

[3] 鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設備設計[M].北京:化學工業出版社,2001:63-74.

[4] 陳永華,李思忍,龔德俊,等.一種小型水密耐壓艙體的設計與制作[J].壓力容器,2007,24(9):25-28,61.

Design of Three-cavity Pressure Separation Device Under High Temperature and Ultrahigh Pressure

LUO You-gao1,LIU Gang1,TANG Shun-jie1,ZHENG Xiang-zhou2
(1.The Second Ship Design Institute,Wuhan430064,China; 2.School of Engineering Technology,Huazhong A gricultural University,Wuhan430064,China)

Aiming at the difficulty of establishment and transfer of three-cavity pressure in a vessel under high temperature and ultrahigh pressure conditions,a three-cavity pressure separation device was designed.The structure of this device is simple and practicable,the three-cavity pressure of the stratigraphic configuration can be established stably and the effective transfer between wellbore pressure and pore pressure can be realized.Reliable equipment for the perforation test is provided.

perforation;three-cavity pressure;high temperature;simulator

1001-3482(2011)05-0037-04

TE934.2

A

2010-11-23

羅友高(1966-),男,武漢人,研究員,研究方向為機械設計制造及其自動化,E-mail:lygw@public.wh.hb.cn。