Y341－114型注水封隔器膠筒與套管摩擦力試驗研究

王尊策，管翠翠，溫后珍，呂鳳霞

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318） ＊

Y341－114型注水封隔器膠筒與套管摩擦力試驗研究

王尊策，管翠翠，溫后珍，呂鳳霞

（東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318）＊

目前在細分層注水管柱的力學分析中，封隔器膠筒對套管的摩擦力大多使用估計值或數(shù)值模擬分析結果，很少有精確的試驗數(shù)據(jù)，無法適應細分層注水技術對封隔器在井下位置精確計算的要求。設計封隔器膠筒模擬試驗裝置，對測定膠筒與套管的摩擦力大小具有重要意義。試驗結果表明：壓力在4～17MPa時，膠筒與套管的摩擦力與軸向加壓壓力基本呈線性關系；在無潤滑條件下，當壓力為17MPa時，單級封隔器對套管產(chǎn)生的摩擦力約30kN。為細分層注水管柱的力學分析提供了試驗數(shù)據(jù)，有助于確保細分層注水工藝的穩(wěn)定實施。

封隔器；膠筒；摩擦力；試驗研究

封隔器是油田壓裂、試油、采油、注水、堵水、注水、油層改造等工藝措施的核心工具［1－2］。Y341－114型注水封隔器廣泛應用于細分層注水工藝，其最重要的部件是膠筒［3－5］。當膠筒承受軸向壓縮載荷時，除產(chǎn)生軸向壓縮變形外還將產(chǎn)生徑向膨脹，密封油管和套管的環(huán)形空間，把上下油層分開，達到分注的目的［6－7］。注水管柱受力情況與封隔器封隔時膠筒對套管產(chǎn)生的摩擦力大小密切相關。現(xiàn)階段在注水管柱力學分析中，膠筒與套管摩擦力的大小大多使用估計值、數(shù)值模擬分析結果或忽略摩擦力因素的影響［8］，很少有精確的試驗數(shù)據(jù)，無法適應細分層注水技術對封隔器井下位置準確計算的要求，從而降低細分層注水的質(zhì)量，甚至影響油田注水開發(fā)效果［9］。

1 模擬加載試驗裝置

封隔器膠筒與套管摩擦力測試試驗分2步進行，首先在套管中壓縮膠筒，然后拉動中心管和套管，測得摩擦力。試驗設備采用微機控制電子萬能試驗臺，如圖1所示。

圖1 微機控制電子萬能試驗臺

1.1 壓縮膠筒

將封隔器膠筒模擬加載壓縮試驗裝置（如圖2）置于試驗機上方（如圖3），伺服電機通過傳動機構帶動移動加載橫梁向上移動，試驗機施加的載荷作用在下方支撐圓盤上，并通過下方壓縮支撐柱的軸肩傳遞給十字隔環(huán)（下方支撐圓盤與下方壓縮支撐柱、下方壓縮支撐柱與十字隔環(huán)均以螺紋連接），從而推動套筒向上運動，膠筒因中心管不能上移，便開始壓縮產(chǎn)生徑向變形脹大，直至加載橫梁施加載荷到預定值。保載時，擰緊對頂螺母至十字隔環(huán)處，使膠筒保持壓縮量，完成膠筒的壓縮試驗。

圖2 膠筒壓縮試驗裝置

圖3 膠筒壓縮過程

1.2 拉動套管和中心管

將膠筒壓縮完成后，去掉上、下支撐圓盤，更換上、下拉伸支撐柱，將此試驗裝置（如圖4）通過銷子連接到試驗機下方（如圖5），下方拉伸支撐柱通過銷子連接到試驗機下方固定端，使中心管保持固定不動。伺服電機通過傳動機構帶動移動加載橫梁向上移動，加載橫梁施加的載荷通過上方拉伸支撐柱拉動套管也向上運動，直至與膠筒產(chǎn)生相對移動。

由計算機進行試驗過程及試驗曲線的動態(tài)顯示，并進行數(shù)據(jù)存取。

圖4 拉動中心管及套管試驗裝置

圖5 拉動中心管及套管過程

2 試驗方案

本試驗在常溫條件下進行，膠筒與套管間無潤滑。

Y341－114型注水封隔器是通過在油管內(nèi)加液壓使得膠筒產(chǎn)生徑向膨脹，從而密封油管和套管的環(huán)形空間，實現(xiàn)封隔作用［10］。封隔器坐封銷釘在軸向壓力達到4MPa時被剪斷，膠筒開始產(chǎn)生徑向膨脹，隨著軸向壓力增大，膠筒徑向變形也變大并與套管內(nèi)壁發(fā)生接觸，因此試驗中軸向坐封壓力從4 MPa開始。為準確模擬膠筒與套管的摩擦過程，軸向坐封壓力分別取4、5、6、8、10、12、15、17MPa。受室內(nèi)試驗條件限制，因此將Y341－114型注水封隔器實際注水坐封壓力根據(jù)式（1）換算為軸向機械載荷進行試驗，即

式中，A為Y341－114型注水封隔器坐封活塞面積；p為軸向坐封壓力，Pa。

不同軸向坐封壓力對應的軸向機械載荷如表1所示。

表1 壓縮膠筒所需軸向載荷

3 試驗曲線分析處理

Y341－114型注水封隔器膠筒與套管摩擦力測試試驗在無潤滑條件下進行，依據(jù)所取軸向坐封壓力共做8組試驗，由于篇幅所限只列出軸向坐封壓力為17MPa的試驗測試數(shù)據(jù)。1組膠筒軸向壓縮量試驗測試曲線和膠筒與套管間摩擦力試驗測試曲線如圖6～7所示。

圖6 膠筒軸向壓縮量試驗測試曲線

圖7 膠筒與套管間摩擦力試驗測試曲線

由圖6～7可以看出：在軸向載荷由零逐漸增加到17MPa的過程中，膠筒的軸向壓縮量也逐漸加大。在軸向坐封壓力為17MPa時，由壓縮膠筒試驗可知，1組膠筒軸向壓縮量可達到46.363mm；由拉動套管與中心管測試摩擦力試驗可知，1組膠筒與套管間靜摩擦力逐漸增大，最大靜摩擦力大小為32 040.3N，當膠筒與套管間達到最大靜摩擦力后，產(chǎn)生滑動摩擦，滑動摩擦力大小為28 449.3N。取軸向坐封壓力分別為4、5、6、8、10、12、15、17MPa，研究軸向坐封壓力與摩擦力的關系，結果如表2和圖8所示。由圖8可以看出：隨著軸向坐封載荷的增加，最大靜摩擦力和滑動摩擦力也隨之增加，在一定范圍內(nèi)摩擦力與軸向坐封載荷之間基本呈線性關系。由8組試驗曲線得膠筒在不同軸向坐封載荷作用下的摩擦力試驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同坐封力下膠筒與套管間的摩擦力

圖8 坐封力與膠筒對套管摩擦力關系曲線

依據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù)，擬合出單級封隔器膠筒所受摩擦力與軸向坐封壓力的關系式，即

式中，f為試驗測得封隔器膠筒與套管的摩擦力，N；p為軸向坐封壓力，MPa。本公式適用于Y341－114型壓縮式封隔器，套管內(nèi)徑124.3mm。

試驗過程中，膠筒與套管間無潤滑，而實際封隔器膠筒在井下實際工況工作時，膠筒與套管間存在油水混合物，起到了潤滑作用。因此式（2）應當乘以一個摩擦力修正系數(shù)λ，得出的摩擦力才能與實際情況相符。實際工況下單級Y341－114型注水封隔器膠筒與套管摩擦力摩擦力與軸向坐封壓力關系式為

式中，摩擦力修正系數(shù)λ取值范圍3／8～7／8；f為試驗測得封隔器膠筒與套管的摩擦力，N；f1為實際工況下膠筒與套管間摩擦力，N。

4 結論

1） 在無潤滑條件下，軸向坐封載荷逐漸增加的過程中，膠筒軸向壓縮量逐漸加大，單級封隔器對套管產(chǎn)生的摩擦力約30kN。

2） 隨著軸向坐封載荷的增加，最大靜摩擦力和滑動摩擦力也隨之增加，壓力在4～17MPa時，摩擦力與軸向坐封載荷之間基本呈線性關系。

3） 擬合出了單級Y341－114型壓縮式封隔器膠筒所受摩擦力與軸向載荷的關系式。

4） 通過進行Y341－114型注水封隔器膠筒模擬加載試驗，更加準確地獲得膠筒對套管摩擦力的大小及摩擦力大小隨軸向坐封壓力的變化規(guī)律，為現(xiàn)場細分層注水管柱的力學行為研究提供了有價值的試驗數(shù)據(jù)。

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［2］ 趙曉偉，牛彩云，朱洪征，等.單封隔器抽油管柱受力變形分析［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：51－54.

［3］ 葛 松.壓縮式封隔器密封膠筒有限元分析及改進［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：92－95.

［4］ 王海蘭，辜利江，劉清友.井下封隔器膠筒橡膠材料力學性能試驗研究［J］.石油礦場機械，2006，35（3）：57－59.

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［6］ 江漢石油管理局采油工藝研究所.封隔器理論基礎與應用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1983.

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［9］ 孫 暉，姚辰明.分層注水井封隔器檢驗新技術［J］.測井技術，2003，27（6）：534－536.

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Experimental Research of Y341－114Water Injection Well Packer Rubber－Casing Wall Friction Force

WANG Zun－ce，GUAN Cui－cui，WEN Hou－zhen，LV Feng－xia
（College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

At present，in the mechanics analysis of subdivision water injection tubing string，the estimated value or the numerical simulation results are mostly used as the packer rubber－casing wall friction force which can not be adapted to the requirements of subdivision water injection technique about the precise position of packer under the downhole and there are few accurate test data.Therefore，it is necessary to design packer rubber simulation test tool and measure the rubber－casing wall friction force.The test results indicate that the law between rubber－casing wall friction force and axial set－down pressure is in a linear relation under the pressure during 4－17MPa.In no lubrication condition，single stage rubber－casing wall friction force is about 3tons produced at 17MPa pressure.The results can provide experimental basis for the mechanics analysis of subdivision water injection tubing，and will be helpful to ensure the stability of subdivision water injection technique.

packer；rubber；friction force；experimental research

1001－3482（2012）07－0066－04

TE931.2

A

2012－01－12

王尊策（1962－），男，黑龍江巴彥人，教授，博導，主要從事石油石化流體機械及設備研究。