燃氣動力壓力焊封堵器的設計探究

高俊偉

摘要：油氣套管使用年限的增加，再加上酸性物質的腐蝕作用，套管破損的現象是經常會出現的，需要通過套管修復技術補修套管，從而使燃氣動力壓力裝置能夠順利應用。本文將要闡述的燃氣動力壓力焊封堵器的設計，應用的主要作用是完成井下套管補修作業，如今該項設計已經被廣泛應用，并且套管修復的效果是非常良好的。

關鍵詞：燃氣；動力壓力焊封堵器；設計；探究

燃氣動力壓力焊封堵器主要是應用于油氣開采的套管修復工程當中。套管作為開采環節中非常重要的設備，如果套管出現破損問題將會嚴重影響油氣的質量，需要及時進行修復，經過多年的研究，推出了多種套管封堵技術。燃氣動力壓力焊封堵器的應用原理較為簡單，修復套管的效果和效率都是非常高的，因而對燃氣動力壓力焊封堵器設計進行研究非常有必要。

1 燃氣動力壓力焊封堵器設計的價值

在井下作業的過程中，需要依靠套管完成注水和開采施工，而套管破損成為影響油氣開發工程質量的重要因素，人們針對這一問題展開了研究，包括對套管破損的預防技術和修復技術的研發。但是在實際的油氣開發過程中預防措施的應用效果甚微，因而人們將研究的重心轉向了修復技術的研究，燃氣動力壓力焊封堵器就是修復技術研發生成的產物。燃氣動力壓力焊封堵器是利用火箭固體推進劑燃燒生成的氣體為動力，推動套管的補貼管，使補貼管膨脹，直至全部貼合在外層破損的套管上，從而完成套管的修復。因而燃氣動力壓力焊封堵器設計是具有實際的價值的。

2 燃氣動力壓力焊封堵器的設計

2.1 動力源設計

燃氣動力壓力焊封堵器設計當中動力的產生是非常關鍵的，動力使用不當或動力不足都會影響最終補貼管貼合的效果。對于套管的修復，補貼管需要慢慢的膨脹完成貼合操作，如果動力推動速度過快、過大很有可能造成補貼管的損壞。因而選用的動力源需要滿足動力充足、釋放速度較慢、穩定性強等條件。經過長期的實驗研究，最終選擇了火箭固體推動劑作為主要的動力源。

2.2 緩沖懸掛裝置設計

燃氣動力的產生是需要將推動劑點燃的，在動力發射的瞬間會有較強的沖擊力，需要對沖擊力進行控制，否則沖擊力過大會導致補貼管有破洞出現。因而在燃氣動力壓力焊封堵器當中設計了緩沖懸掛裝置，作用是代替補貼套管接收沖擊力的力量，使動力氣體能夠穩定、舒緩的推動補貼管前進。該裝置是由滑管和滑套組成，當沖擊力出現時通過伸縮將力的作用化解掉。

2.3 動力傳動裝置設計

動力傳動裝置的作用是將動力源產生的高溫高壓氣體轉化為機械能。主藥柱燃燒后產生的高能氣體通過氣道在活塞里運動，氣體積聚膨脹，在活塞根部受阻后在反作用力的推動下對一級和二級活塞產生向上作用力，活塞向上運動，把作用力傳輸于中心拉桿，通過調整中心拉桿及調整套的導向作用，最后把這個力平穩的傳遞給拉桿，使上、下椎錨相向運動，將軸向的拉力轉換成徑向的壓力，完成對套管的補貼，隨著作用力的逐漸加大，到達設計拉力40t后，解卡釋放裝置中釋放套的最薄弱處將被拉斷，一級、二級活塞繼續上行，進行到活塞泄壓口處，氣體壓力就能夠釋放。

想要實現動力的有效傳輸，在設計的過程中需要滿足以下條件：首先，要保證動力源轉化生成的動力氣體，推動力大于其他作用力效果，在推動補貼管的過程中其他方向的作用力也是存在的，因而主要推動力的作用必須要大于其他力的作用，才能保證整體里的作用是向著推動力方向進行的。其次，在推動力進行的過程中必須在密閉的環境中，如果氣體泄漏，推動力減小，補貼管無法順利膨脹。最后，燃氣動力壓力焊封堵器動力傳輸裝置需要有耐高溫的性能，火箭推動劑燃燒生成的氣體溫度非常高，裝置需要保證在長期高溫狀態下正常運行。

2.4 補貼管的設計

補貼管的設計也是非常關鍵的，井下作業的環境非常特殊和艱巨，在油氣開采的過程中，對套管施加的壓力較大，井下環境當中也有強酸性的物質對套管進行腐蝕，補貼管材質的選擇就尤為重要。因而補貼管需要有較高的強度，并且能夠耐腐蝕，現階段燃氣動力壓力焊封堵器的設計逐漸成熟，從眾多符合補貼管性能的鋼管材料當中選取20Cr型號作為補貼管的主材料。經過研究實驗證明該型號材質鋼管制成的補貼管強度和耐腐蝕性都滿足井下作業對套管的要求，目前補貼管的規格為壁厚0.5cm，外直徑0.59cm。

2.5 錐錨和密封結構設計

2.5.1 錐錨的設計

錐錨的設計需要保證補貼套管在力的作用下，完整的貼合到外層套管壁上，并使貼合鋼管完全變形，保持固定的貼合狀態，因而錐錨設計最主要的考量因素就是力的作用效果。在密閉的環境當中錐套與錨體在力的作用下會產生直接的接觸，而錐錨設計要選擇最適宜的角度，使兩者在接觸的那一刻所產生的力的方向和大小能夠使鋼管補貼套膨脹的方向是向著外部套管的，從而保證錐套完全固定在外層套管內壁上。

2.5.2 密封結構設計

密封結構的設計作用就是保證補貼管受動力源推動進行貼合操作期間，環境是密封的，防止氣體泄漏。現階段，燃氣動力壓力焊封堵器密封結構是設計在錨體和補貼管之間的，采用的是黃銅材質的密封材料，黃銅具有較強的隔離性，氣體無法滲透出黃銅材料當中，從而保證了套管修復環境的密封性，目前密封結構的形式主要有階梯型和直筒型兩種，這兩種應用的效果都極佳。

2.5.3 釋放裝置的設計

釋放裝置是負責在燃氣動力壓力焊封堵器完成補貼套貼合后，完整的將裝置撤離的結構，要保證對補貼套沒有任何影響的狀態下將裝置取出。近些年，相關專業人員經過多次研究和實驗，將釋放裝置設計成環形的圓弧槽結構，使撤離時力的作用最小化，最大幅度的降低了釋放裝置期間對補貼套的影響。已經可以實現，在完全不影響補貼套貼合狀態的基礎上，將燃氣動力壓力焊封堵器完全撤離出來。

3 結語

燃氣動力壓力焊封堵器裝置在我國油氣開采套管修復施工當中應用非常的廣泛，經過本文的分析與介紹，可以得知燃氣動力壓力焊封堵器應用的效果已經趨于成熟，各項結構的設計質量和性能都是經得起推敲的。保證了套管修復質量，從而促進油氣開采工程質量與效率的提升。

參考文獻：

[1]趙弘，胡浩然.管內封堵器不同封堵狀態的流場分析[J].油氣儲運，2016，35（10）：1060-1065.

[2]張玉濤.深水管道內封堵快速回接技術研究[D].哈爾濱工程大學，2015.

（作者單位：中國市政工程工程東北設計研究總院有限公司新疆分公司）