沖砂同心管用Z331型自封封隔器研制

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(1.中國石油大學(北京) 海洋工程研究院，北京 102249；2.中國石油遼河油田 鉆采院，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油華北油田 采油工程研究院，河北 任丘 062552)

沖砂同心管用Z331型自封封隔器研制

闞長賓1，楊進1，于曉聰2，閆莉1，李春燕3，傅超1，胡南丁1，殷啟帥1

(1.中國石油大學(北京) 海洋工程研究院，北京 102249；2.中國石油遼河油田 鉆采院，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油華北油田 采油工程研究院，河北 任丘 062552)

在同心管沖砂方式轉(zhuǎn)化作業(yè)過程中，自封型封隔器是實現(xiàn)井底沖砂液流轉(zhuǎn)向所必需的井下工具。為解決常規(guī)皮碗狀自封封隔器使用壽命短、易砂阻、易砂卡的技術(shù)難題，研制了同心管用Z331型囊狀自封封隔器。通過封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理及囊狀橡膠密封圈的有限元數(shù)值模擬，研究了Z331型囊狀封隔器的工作特性、密封有效性及沖砂作業(yè)適用性能。耐磨蝕囊狀橡膠密封膠筒可有效預防封隔器密封膠筒落砂，有效控制砂阻、砂卡管柱，同時提高了橡膠密封面因沖砂作業(yè)反復活動起下管柱而所需的耐磨蝕性能。為沖砂同心管型自封封隔器的設(shè)計提供了一種新的方法。

沖砂；同心管；封隔器；結(jié)構(gòu)

Abstract：In the process of sand washing operation of concentric tube sand flushing，self-sealing packer is a kind of downhole tool which can be used to realize the fluid diversion in downhole bottom.In order to solve the technical problems of short service life，easy sand resistance and easy sand stick of the conventional bowl shaped self sealing packer，a concentric tube Z331 self sealing packer was developed.Through the structure design，working principle and finite element numerical simulation of the sack-like rubber sealing ring，the working characteristics，sealing effectiveness and the performance of the sand washing operation of the Z331 packer are studied.Through the design of wear resistant rubber sealing rubber cylinder，it can effectively prevent the packer from falling.It can effectively control the sand resistance and the sand sticking string.At the same time，the wear resistance of the rubber sealing surface due to the repeated operation of the rubber sealing surface is improved.It provides a new and effective method for the design of concentric tube type self sealing packer.

Keywords：sand clean out；concentric pipe；packer；structure

隨著油田開發(fā)進入中后期，油藏壓力系數(shù)將逐漸變低，油井出砂、砂埋油層等現(xiàn)象較為常見。油井沖砂過程中，易出現(xiàn)沖砂液漏失、污染油藏、漏失不返液而無法建立沖砂循環(huán)等現(xiàn)象，嚴重影響油井沖砂效果[1-2]。為解決低壓力系數(shù)、易污染、易漏失油藏的沖砂技術(shù)難題，常用的沖砂方式有低密度攜砂液沖砂、連續(xù)管沖砂、同心管沖砂方式轉(zhuǎn)換沖砂作業(yè)等。現(xiàn)場實踐表明，同心管方式?jīng)_砂具有高有效性、高技術(shù)經(jīng)濟性而得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

目前，同心管沖砂管柱采用常規(guī)皮碗狀橡膠密封的自封封隔器。主要存在以下技術(shù)難題：

1) 常規(guī)皮碗狀橡膠密封圈易發(fā)生砂阻、砂卡事故。

2) 在沖砂作業(yè)過程中，同心管沖砂管柱需上下活動，皮碗狀橡膠密封圈易落砂，活動管柱過程中膠筒強度不夠，易被擠毀、壓碎、脫落，從而致使密封失效[5]。

3) 針對同心管式的自封封隔器研究較少，不能滿足同心管沖砂作業(yè)的需要。

基于此，本文針對同心管沖砂方式轉(zhuǎn)換的工藝技術(shù)需要，結(jié)合其工藝技術(shù)特點，研制了Z331型同心管用囊狀自封封隔器。通過對沖砂同心管用囊狀自封封隔器的設(shè)計，并與同心管沖砂管柱配合，提高沖砂作業(yè)的安全性，實現(xiàn)高效作業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型Z331型自封封隔器由封隔器本體、囊狀膠筒密封與承壓機構(gòu)、膠筒位置限定裝置、腔室內(nèi)外壓力平衡裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

1—油層套管；2—油管接箍；3—沖砂管內(nèi)管；4—囊狀橡膠密封膠筒；5—內(nèi)外管上連接輻；6—沖砂管外管；7—上端面承托圈；8—內(nèi)腔連通孔；9—上端面承托杯；10—上端面支撐圈；11—囊狀膠筒內(nèi)腔室；12—內(nèi)腔支撐環(huán)；13—加強筋；14—下端面限位圈；15—下端面支撐圈；16—下端面承托杯；17—下端面承托圈；18—下連接頭；19—內(nèi)外管下連接輻；20—油管接頭。圖1 同心管用囊狀自封封隔器

沖砂同心管的內(nèi)、外管通過內(nèi)外管連接節(jié)箍螺紋固定在內(nèi)管上，內(nèi)外管連接輻位于內(nèi)外管之間，是內(nèi)外管的支撐結(jié)構(gòu)。沖砂內(nèi)管與沖砂外管之間的環(huán)形空間為沖砂液流通道。沖砂過程中，Z331型自封封隔器將沖砂外管與套管之間的環(huán)空進行密封封堵，從而實現(xiàn)同心管沖砂管柱的井下液流轉(zhuǎn)向，將井口的反循環(huán)沖砂方式轉(zhuǎn)換為井底的正循環(huán)沖砂方式。

Z331型自封封隔器的囊狀橡膠密封膠筒為中空的圓環(huán)囊狀，其形狀有2個端部，在2端部之間是中空腔體。上下端部為膠筒的固定端，通過安裝墊圈、橡膠密封圈承托環(huán)、支撐環(huán)、限位墊圈等進行位置固定，并提高抗壓、抗拉作用力。橡膠密封圈承托環(huán)的形狀是由圓環(huán)面底面和圍設(shè)在底面外的圓環(huán)側(cè)壁組成，它與兩端部配合形成支撐機構(gòu)，限制兩端部的位移，增加端部的剛性。囊狀密封膠筒采用耐磨蝕性能較高的改性橡膠，以滿足沖砂過程中沖砂管柱反復起下對密封膠筒耐磨蝕性能的要求，且端部內(nèi)部設(shè)置有彈性加強筋結(jié)構(gòu)，以提高兩端部的剛性，從而提高囊狀橡膠密封圈的承壓能力。橡膠密封圈承托環(huán)、支撐環(huán)和囊狀橡膠密封圈配合安裝，可以有效控制囊狀橡膠密封圈在受壓差情況下的形變。

囊狀膠筒的內(nèi)腔壓力與封隔器上端的液柱壓力為連通壓力，壓力傳遞通道由上下端承托圈、內(nèi)腔支撐環(huán)、上下端承托杯、安裝墊圈、上下端面限位墊圈等部件上設(shè)置的水流通道凹槽構(gòu)成，通過結(jié)構(gòu)件的配合實現(xiàn)壓力通道的內(nèi)外連通，即，囊狀封隔器內(nèi)腔壓力與封隔器上端壓力連通。囊狀膠筒與油井套管之間采用過盈配合，當封隔器下井后，由于膠筒腔內(nèi)壓力與封隔器上端壓力的平衡，從而實現(xiàn)了封隔器的自封密封。

2 工作過程及原理

1) 下井。

將Z331型沖砂封隔器連接在同心管沖砂管柱中，按單井沖砂設(shè)計要求將帶封隔器的管柱進行管柱配合設(shè)計，并下到井內(nèi)預設(shè)計位置。在同心沖砂管柱下入井時，由于管柱的下行使得囊狀膠筒的下端面所受液體壓力較大，而囊狀膠筒內(nèi)腔與封隔器上端壓力連通，囊狀膠筒在橡膠彈性作用下可低阻力的下入井筒。

2) 坐封與沖砂。

當Z331型同心管沖砂封隔器下入到指定位置后，接好地面管匯，向管內(nèi)泵入沖砂液。由于囊狀膠筒與套管管壁之間的過盈配合設(shè)計，泵入沖砂液使得封隔器的上端與下端存在壓力差。此時，封隔器上端流體經(jīng)壓力連通通道進入囊狀膠筒內(nèi)腔，在上下壓差的作用下，將囊狀膠筒擴展壓持在套管管壁上，使得囊狀橡膠密封圈的外壁與套管的內(nèi)壁緊緊貼合，封隔油管與套管的環(huán)形空間，完成封隔器自動坐封過程，阻斷沖砂液向井下流動。從而使得沖砂流體轉(zhuǎn)向，自上部井段的油套環(huán)形空間，流經(jīng)沖砂井下轉(zhuǎn)換短節(jié)，進入沖砂同心管的內(nèi)、外管環(huán)形空間，使井口的反循環(huán)沖砂洗井過程轉(zhuǎn)換為井底的正向循環(huán)沖砂洗井過程。

沖砂過程中，井底砂床強度較大或徹底清掃井筒沉砂，需反復上、下活動沖砂管柱，反復起下管柱過程中，囊狀封隔器的上、下兩個端面均為密閉的圓弧面設(shè)計，不易產(chǎn)生落砂砂卡管柱現(xiàn)象，保證了沖砂作業(yè)過程起下管柱的順暢。同時，由于上下端壓力差的存在，保障了封隔器的密封有效性。

3) 解封。

沖砂作業(yè)結(jié)束后，停止泵入沖砂液，沖砂管柱的管內(nèi)與油套環(huán)空之間、封隔器上下端面之間則不存在壓力差。需要進行起出管柱作業(yè)時，上提同心管沖砂管柱，操作過程與普通皮碗式自封封隔器起出作業(yè)相似。由于囊狀橡膠密封圈內(nèi)無砂粒等物質(zhì)發(fā)生硬卡阻，且囊狀橡膠密封圈具有彈性適應(yīng)管壁的特性，借助與套管內(nèi)壁的接觸壓力，可以靠自身彈性回縮，從而完成解封。相對而言，起下作業(yè)壓差阻力較小，管柱起出順利，從而提高了沖砂作業(yè)的安全性。

3 主要技術(shù)特征

3.1技術(shù)特點

1) 囊狀橡膠密封膠圈的囊狀結(jié)構(gòu)，可有效防止井內(nèi)落砂堆積，不易形成砂阻、砂卡管柱，有效保障沖砂洗井過程的管柱起下安全性；囊狀橡膠密封圈具有彈性適應(yīng)管壁的特性，借助與套管內(nèi)壁的接觸壓力，便于同心管沖砂管柱移動作業(yè)，提高了沖砂作業(yè)的效率。

2) 在囊狀橡膠密封膠圈內(nèi)設(shè)計加強筋結(jié)構(gòu)，提高了囊狀橡膠密封膠圈兩端部的剛性，從而有效提高了橡膠密封膠筒的密封承壓能力。封隔器的下入過程、坐落密封過程、沖砂過程、起出過程與普通皮碗式自封封隔器具有相似的作業(yè)工藝、操作簡單。同時，采用耐磨蝕膠筒設(shè)計，可適用于沖砂反復起下作業(yè)的工藝技術(shù)需要，延長了封隔器的密封時效性，提高沖砂效率。

3) 在同心管沖砂管柱上下移動作業(yè)時，承托環(huán)、支撐環(huán)及囊狀橡膠密封圈的配合安裝，可有效控制囊狀橡膠密封圈受壓差情況下的形變量，且保證起下作業(yè)的壓差阻力較小。承托環(huán)、支撐環(huán)及囊狀橡膠密封圈的配合安裝，可有效提高囊狀橡膠密封圈承受壓差能力，且作為膠筒的承壓臺肩控制膠筒的變形形變量，保證起下作業(yè)過程的低起下阻力。

3.2主要技術(shù)參數(shù)

封隔器本體(下連接頭)外徑?124.70 mm；囊狀膠筒最大外徑144.70 mm；沖砂管內(nèi)管公稱直徑73.03 mm(2英寸油管)。接箍型號TBG 2NU；沖砂管外管公稱直徑88.90 mm(3英寸油管)。總長1 200 mm；最大密封壓力15 MPa；最大耐溫150 ℃。

4 膠筒數(shù)值模擬與分析

封隔器所具備的功能主要靠彈性密封膠筒的密封作用來實現(xiàn)。囊狀密封膠筒是囊狀自封封隔器實現(xiàn)密封與封堵的最為關(guān)鍵的構(gòu)件，是封隔器最為關(guān)鍵的功能性構(gòu)件[6]。膠筒的密封性能是判斷其工作性能好壞的關(guān)鍵，深入研究封隔器膠筒的密封性能是提高封隔器工作性能的關(guān)鍵。由于沖砂作業(yè)工況的復雜性，要求囊狀膠筒在沖砂承壓條件下具有較好的密封性、較高的承壓能力。

密封膠筒屬于復合非線性材料，橡膠在受力變形的過程中其內(nèi)部應(yīng)力是高度非線性的，要非常精確的分析壓縮過程中橡膠內(nèi)部的應(yīng)力分布情況是非常困難的，因為橡膠壓縮過程中，橡膠本身的許多性能參數(shù)都在變化，無法直接給出[7-8]。由于理論分析方法的困難性，研究中理論公式主要用于定性分析，不能描述橡膠工作中的復雜力學行為。當前，對密封元件的研究主要集中于封隔器的井下工作性能分析、室內(nèi)物理模擬試驗及數(shù)值模擬方面，研究其與套管管壁的接觸應(yīng)力曲線、膠筒內(nèi)部的應(yīng)力分布[9]。因此，通過構(gòu)建數(shù)值模型，研究其囊狀密封膠筒的坐封受力狀態(tài)及應(yīng)力分布是必要的。

4.1模型建立

1) 條件假設(shè)。橡膠類材料為超彈性材料；材料為各向同性；數(shù)值模擬時包括幾何非線性效應(yīng)[10]。

2) 套管和油管材料為鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3；橡膠材料為超彈性材料，使用Yeoh模型來模擬橡膠材料[11-12]。

3) 接觸的法向?qū)傩詾槟J設(shè)置；切向?qū)傩詫⒅饕Σ凉皆O(shè)置為罰函數(shù)。載荷施加條件為：考慮到膠筒內(nèi)腔與封隔器上端的壓力連通性，在膠筒內(nèi)部和膠筒外部上端面(模型的膠筒左側(cè)端面)施加相同的壓力。

所建立的膠筒網(wǎng)格劃分計算模型如圖2所示。

圖2 囊狀膠筒的網(wǎng)格劃分計算模型

4.2結(jié)果分析

在工作內(nèi)壓為10 MPa，膠筒外部上端面外壓也為10 MPa的作用下，Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。計算結(jié)果表明，囊狀膠筒具有較好的密封性，密封膠筒上部所受應(yīng)力較小，膠筒的下半部分為主要承壓區(qū)域，同時變形也較大。膠筒與套管內(nèi)壁的接觸應(yīng)力最大處為膠筒下端的管壁初接觸處，最大接觸應(yīng)力值為1.338×104kPa，且應(yīng)力分布圖中此處為應(yīng)力最大值處。此區(qū)域的接觸應(yīng)力大，則沖砂管柱在沖砂作業(yè)起下過程中，所受的摩阻力及磨蝕程度將最嚴重，這與封隔器的實際應(yīng)用情況較為吻合。從現(xiàn)場使用情況看，囊狀膠筒的磨蝕程度此處最為嚴重。

圖3 坐封工況條件下的模型Mises應(yīng)力云圖

5 室內(nèi)試驗測試

封隔器在油井現(xiàn)場實際應(yīng)用中，膠筒的密封能力是衡量封隔器性能的重要技術(shù)指標之一，膠筒的性能就是關(guān)鍵影響因素[13]。

為研究囊狀自封封隔器密封承壓能力，采用如圖4所示的試驗系統(tǒng)對其進行室內(nèi)試驗測試。試驗裝置包括：樣機、模擬套管、液壓泵、封隔器、連接軟管、壓力表等。按圖示流程進行耐壓密封試驗，試驗過程為：將封隔器樣機安裝于試驗?zāi)M套管內(nèi)，將封隔器上端面用油管絲堵封堵。自密封上端管線逐漸給封隔器上部套管內(nèi)加壓，同時記錄密封上端管線與密封下端管線的壓力差，加壓級差為1.0 MPa，測定1個壓力級差后，穩(wěn)壓5 min，記錄上、下端壓力表壓降；測試完1個級差后，逐漸增加壓力，重復上述步驟，直至測試壓力達到15 MPa時，停止試驗測試，卸掉試驗系統(tǒng)壓力。

試驗結(jié)果如表1所示。囊狀密封膠筒的密封性能良好，試驗過程中的最大壓降為1%，且試驗過程中當試驗系統(tǒng)壓力大于12.0 MPa時，試驗監(jiān)測到囊狀膠筒有壓力降，這說明當試驗系統(tǒng)壓力接近設(shè)計承壓能力極限時，膠筒的受壓膨脹嚴重，具有少量的漏失。試驗結(jié)果表明，封隔器膠筒密封良好，密封性能達到設(shè)計要求。

6 結(jié)論

1) 研制了Z331型同心管用囊狀自封封隔器，采用囊狀膠筒密封單元，膠筒內(nèi)設(shè)置有加強筋。克服了皮碗式自封封隔器在沖砂洗井過程中，皮碗內(nèi)易落砂而砂卡、活動管柱而導致的密封時效性差的技術(shù)難題。結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)性能可靠，有效提高了自封封隔器的沖砂適用性能。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明：封隔器承壓為10 MPa時，囊狀膠筒具有較好的密封性能。膠筒的下半部分為主要承壓區(qū)域，膠筒與套管內(nèi)壁的接觸應(yīng)力最大處為膠筒下端的管壁初接觸處，最大接觸應(yīng)力值為1.338×104kPa，滿足膠筒的強度要求。

3) 囊狀自封封隔器配合同心管沖砂方式轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決了易漏失油藏的高效沖砂問題，可廣泛應(yīng)用于油水井沖砂作業(yè)中，提高作業(yè)效率和作業(yè)安全性。可推廣應(yīng)用于易漏失井、易污染井的沖砂作業(yè)中。

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StudyonZ331Self-sealingPackerofConcentricTubeinSandWashingOperation

KAN Changbin1，YANG Jin1，YU Xiaocong2，YAN Li1，LI Chunyan3，
FU Chao1，HU Nanding1，YIN Qishuai1

(1.InstituteofMarineEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China；2.DrillingandProductionInstitute，LiaoheOilfield，Panjing124010，China；3.OilProductionEngineeringResearchInstitute，HuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

TE931.203

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.008

1001-3482(2017)05-0037-05

2017-04-23

國家十二五重大科技攻關(guān)項目“遼河油田原油千萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011ZX03008)；國家十三五重大科技攻關(guān)示范項目“遼河、新疆稠油/超稠油開發(fā)技術(shù)示范工程”(2016ZX05055)

闞長賓(1981-)，男，博士研究生，2006年畢業(yè)于中國石油大學(華東)海洋工程專業(yè)，從事深水油氣開發(fā)與鉆采工具研究，E-mail：kchangbin@163.com。