稠油熱采工藝配套緊湊型連續管懸掛密封裝置的研制

傅登偉，邱福壽，翟亞鋒，蒙永立

1.新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000

2.西部鉆探工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000

稠油熱力開采過程中，常常要依靠連續管井下測試來掌握井下溫度和壓力，實現溫壓調控，從而調整生產工藝。而在實際作業過程中，原有的連續管井口密封器存在以下問題：

（1） 因空間位置受限，原密封裝置無法安裝在火驅觀察井。

（2） 因法蘭不配套，原密封裝置無法安裝在新型SAGD 生產井。

（3） 因空間位置受限，無法配套帶壓提下密封裝置供作業使用。

針對存在的上述問題，研制了兩種規格型號 （φ19 mm 、φ32mm） 的緊湊型連續管井口懸掛密封器。解決了井口空間位置較小情況下連續管的懸掛密封問題，并且可配套帶壓提下裝置作業，為超稠油熱力開采工藝提供必要的井口設備支持。

1 工藝概述

稠油熱采井井下測試工藝裝置如圖1 所示，主要包括注入頭、懸掛密封裝置、控制閘閥、工字法蘭等。當對井下進行溫壓測試時，連接注入頭，打開控制閘閥，下入測試連續管進行溫壓測試作業。測試作業完成后，上提連續油管，拆卸注入頭，關閉控制閘閥，安裝緊湊型連續管井口懸掛密封器。緊湊型連續管懸掛密封裝置實現對測試連續管的懸掛及密封，保證測試連續管靜態密封的可靠性[1]。

圖1 井下測試工藝裝置示意

2 懸掛密封器結構設計

2.1 技術參數

根據測試工藝需要，對密封裝置的現場工況進行調研，確定設計參數[2]，密封桿柱直徑為19/32mm、額定工作壓力為21 MPa，熱工況最高工作壓力為14 MPa，熱工況最高工作溫度為240℃，介質為油、氣、水。

2.2 結構設計及優化

根據測試工藝方案，緊湊型連續管懸掛密封器需要實現連續管的靜態密封和懸掛功能，初步設計結構如圖2 所示。

圖2 測試管懸掛密封裝置初設示意

該密封裝置由壓帽、盤根、卡瓦座、上下單級卡瓦構成，壓帽與卡瓦座通過螺紋連接，螺紋壓緊盤根，滿足連續管測試作業時的靜密封，同時通過兩個單向卡瓦，實現連續管的懸掛。

考慮到現場作業高度和產品的整體性要求，對初步設計的懸掛密封裝置進行了結構組合優化設計，優化后的結構如圖3 所示。

圖3 緊湊型連續油管懸掛密封器結構示意

優化后的懸掛密封裝置設計耳式壓盤及懸掛體結構，兩者通過螺紋連接，解決了整個裝置安裝的空間位置限制。同時通過石墨盤根與銅隔環結合方式，采用螺栓壓板式盤根密封，并可根據實際情況調節耳式壓盤壓緊螺帽，保證密封可靠。采用雙向卡瓦結構實現連續管的懸掛。

3 關鍵零部件的三維建模及強度校核

3.1 三維建模及定義

采用Solidworks 進行實體建模，通過拉伸、旋轉、拔模和剪切的功能對懸掛密封器主要承壓部件盤根盒體、懸掛體進行模型建立，如圖4 所示。

圖4 盤根盒體、懸掛體有限元模型

3.2 條件約束及載荷施加

通過Workbench 軟件對模型進行有限元模擬分析。根據流體走向，施加X 和Y 方向約束，在底部施加軸向Z 方向位移約束和X、Y 方向的旋轉約束。利用軟件中的Auto GEM（自動網格劃分器）工具將模型自動劃分為四面體有限元網格單元。

盤根盒體主要承受的載荷有壓力載荷，其額定工作壓力即設計壓力為21 MPa，施加在內表面。端部連接的外部軸向載荷詳見各端部的應力分析邊界條件，壓力載荷為介質接觸表面的均布載荷[3]。

懸掛體除承受盤根盒體相同的載荷外，還承受螺栓載荷[4]。

由閥門設計計算手冊知，鋼圈在操作狀態下需要的最小壓緊力Fp為[5]：

最小螺栓載荷Wp1按下式計算：

式中：Dg為鋼圈壓緊力作用中徑，mm；b 為鋼圈有效密封面寬度，b=ω/8，ω 為密封環寬度，mm，按設計取值；m 為墊片系數，按手冊取m=5.5；p為最高試驗壓力，MPa。

根據懸掛密封器的力學性能，確定材料選用30 CrMo，鍛造成型，材料的相關參數如表1 所示。

表1 材料屬性

3.3 分析計算及結果

通過Workbench 軟件對主要承壓零部件盤根盒體、懸掛體進行仿真模擬分析，分析結果云圖如圖5、圖6 所示。

圖5 盤根盒體有限元分析結果

圖6 懸掛體有限元分析結果

由計算得到盤根盒體最大應力為48.2 MPa，懸掛體最大應力為34.5MPa，均小于許用應力276MPa，可判定其強度是安全的。

4 室內試驗及現場應用情況

4.1 室內試驗

完成裝置加工及組裝，并進行室內密封試驗、卡瓦懸掛試驗。裝置組裝及試驗如圖7 所示。

（1） 室內密封試驗。對懸掛密封器進行室內密封試驗，試驗介質為清水，根據最高工作壓力確定試驗壓力21 MPa，試驗次數2 次，保壓5 min，試驗曲線如圖8 所示。

圖7 裝置室內試驗

圖8 室內密封試驗曲線

從圖8 中可看出，保壓期5 min 內，曲線平穩，可判定期間均無可見滲漏，驗證了裝置的密封效果。

（2） 卡瓦懸掛試驗。對懸掛密封器的卡瓦進行懸掛試驗，用拉力機對連續管施加載荷，觀測卡瓦是否能支撐，結果如表2 所示。

表2 懸掛機構試驗

從表2 可以看出：每組試驗結果卡瓦無滑脫、無損傷，證明了卡瓦懸掛的可靠性。

4.2 現場應用

近年來，在火驅觀測井口安裝4 井次（FHG003、FHG004、FHG011、FHG012 井），SAGD 帶壓作業井口安裝2 井次（FHW3044P、FHW3045P 井），解決了在狹小空間測試連續管懸掛密封的技術難題。通過現場跟蹤驗證，懸掛密封安全可靠，并且緊湊型懸掛密封器生產加工成本大大降低（同原來的懸掛密封器比較，加工費用由4 800 元降為1 000 元），結構緊湊且作業方便快捷（安裝時間由原來的1 h 縮短到20 min）。

5 結論

本文根據測試工藝的需求，研制適合的緊湊型連續管井口懸掛密封器，完成了圖紙繪制、結構優化設計。采用三維軟件進行實體建模，利用Workbench 軟件進行模擬分析，對其進行應力應變校核，其強度符合要求。通過室內、試驗和現場應用，驗證了該裝置的可靠性，為超稠油熱力開采工藝提供必要的井口設備支持。