UPP-9型籠式卡瓦高溫高壓完井封隔器研制

陸仁德 栗國浩 程文佳 李越 董社霞 李雙全

摘要：提出的卡瓦結構設計方法涵蓋材料評估與選擇、卡瓦組件結構優化、卡瓦結構參數優化、卡瓦測試驗證等流程。應用該方法設計了可以控制啟動載荷的上、下籠式卡瓦組件結構。結合ANSYS有限元分析、樣機測試等方法，對所設計的籠式卡瓦組件進行優化設計與試驗驗證。對帶有防擠出護肩的2種膠筒密封組件的試驗研究表明，帶隔環的三膠筒結構更為優異。在此基礎上，研制了高溫高壓液壓坐封永久式封隔器，額定工作壓力68.94 MPa（10 000 psi），額定工作溫度204.4 ℃（400 ℉）。測試結果表明，所研制的封隔器符合API SPEC 11D1 標準V0級測試要求。

關鍵詞：封隔器; 籠式卡瓦; 高溫高壓; 三膠筒結構; 水平式封隔器測試

中圖分類號：TE925.303? ?文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.012

Abstract：A slip structure design method was proposed， which covered multiple processes such as material evaluation and selection， slip component structure optimization， slip structure optimization， slip test verification， etc. The ANSYS finite element analysis， and sample cycle tests were applied to optimize the design and design verification of the slip components. The research on the two kinds of packer element package with anti-extrusion ring shows that the structure of the triple element package with spacer rings is more magnificent. Based on this research， an HPHT hydraulic permanent packer was designed. The packer has a rated working pressure of 10，000 psi with a rated working temperature of 400 ℉. It was tested with a horizontal HPHT packer test system and the test results show that it complies with the API SPEC 11D1 standard V0 test requirements.

Key words：packer; caged slip; hpht; tripe element package; horizontal packer test

永久式封隔器主要用于油氣井壓裂、完井、酸化、試油等井下作業工藝中。卡瓦是永久式封隔器極為關鍵的部件之一。在封隔器卡瓦結構及其材料研究方面，國內外形成了諸多的研究成果。在封隔器相關的設計方法和設計規范方面，Ronaldo［1］等人所提出的更為嚴格和規范的設計開發控制程序是近年來高溫高壓（HPHT）封隔器設計的新發展方向；Deng、Peters ［2-3］等人結合API 17TR8、API 6A、ASME VIII-2 、ASME VIII-3等標準及規范的要求對HPHT封隔器的設計方法進行了研究；Humphreys［4］等人對HPHT封隔器現場失效形式進行了研究。

卡瓦結構的研究方法主要有測試試驗［5］、有限元仿真［6-7］、云紋法物理模擬［8］、三維光彈模擬測試［9］，以及這些方法的組合研究。研究內容重點是圍繞卡瓦的力學計算、卡瓦牙角度及結構參數、卡瓦牙咬入套管深度及對套管的損傷機理和驗證、不同結構及參數卡瓦的承載強度、整體式卡瓦斷裂［10-11］過程等方面。應用于永久式封隔器的整體式卡瓦的破斷力受材料性能及其熱處理工藝的影響顯著，首處破斷割縫位置及結構對破斷力的影響較大，多次破斷的非連續和非線性等因素使得整體式卡瓦結構精確控制破斷力成為設計難題。在籠式卡瓦結構的研究方面，受其非軸對稱結構的影響，采用有限元仿真分析時網格數量急劇增加，使得仿真收斂難度明顯增大。其仿真的結果受結構割縫形態的影響，在縫端部的等效應力會超出材料最小屈服強度，需要對其進行棘輪分析，以確定塑性變形的影響范圍，在此方面，國內外也鮮有研究突破。現有的文獻對封隔器卡瓦組件的設計方法鮮有研究，因此，本文對封隔器卡瓦組件設計方法的研究具有一定的意義。

此外，在壓縮式封隔器設計確認測試方面，尤其是HPHT封隔器設計確認測試方面，IstreRoyer［12］等人對設計的V0-H級封隔器以豎直安裝的方式在適用的最大套管內徑、最小套管內徑內進行了包含包絡線測試在內的確認測試研究，其測試壓力達到120.6 MPa（17 500 psi）、最高溫度為148.9 ℃（300 ℉）；Royer［13］等人對所研制的HPHT膨脹式懸掛器以水平安裝方式在15.6～190.6 ℃（60～375 ℉）、103.4 MPa（15 000 psi）工況下完成包含壓力反轉測試、包絡線測試等多項API SPEC 11D1 標準V0等級（以下簡稱V0級）確認測試，并且提出要想確認或者驗證某個封隔器的所有性能和參數，只基于單次的測試是不充分的，基于用戶的良好使用業績可以用來彌補V0級設計確認測試無法回答的各項問題。劉輝、張蔚紅、龐東曉、呂芳蕾等人［14-17］研制了高溫高壓封隔器性能試驗裝置，采用的技術方案均為垂直井筒豎直安裝封隔器的方案。該類試驗裝置無法有效模擬封隔器應用于大斜度定向井的實際工況。開展壓縮式封隔器在更為嚴苛的水平放置工況下的確認測試研究，對指導封隔器尤其是高溫高壓封隔器在更為嚴格工況下的使用具有實際意義。

1 封隔器的主要設計參數

本文研究的是一種液壓坐封永久式封隔器。該封隔器適用套管完井的諸多完井工藝，尤其適用于帶有回接插入密封的完井工藝。典型應用的完井工藝管柱如圖1所示。封隔器的主要設計參數如表1所示。

2 結構設計方案與關鍵組件設計方法

為滿足表1的設計參數要求，特別是滿足封隔器在高溫高壓環境下工作的可靠性，封隔器的關鍵組件——卡瓦組件、密封膠筒組件的設計是其技術難點。

2.1 卡瓦組件及籠式卡瓦結構設計

卡瓦坐封后不但要承受管柱重力產生的軸向載荷，還需承受由于封隔器上下環空壓差、油套管壓差、井口直接作用于油管管柱的力等作用于卡瓦上的軸向載荷。對于高溫高壓封隔器，更高的額定壓力會產生更大的軸向載荷。此外，高溫設計時還需要考慮高溫下材料的強度降低因子。綜合考慮以上因素，研究提出了如圖2所示的卡瓦優化設計方法（流程）。

1） 材料評估與選擇。

主要考慮不同材料、不同熱處理工藝下材料強度的變化。考慮材料強度時參照現有行業和國際標準，并考慮溫度對材料強度的影響。

研究比較了用于封隔器卡瓦的主要滲碳鋼材料，從材料的強度、滲碳淬火后適合空冷回火的工藝角度出發，優選20CrMnTi鋼作為卡瓦的材料。考慮到卡瓦坐封時卡瓦牙吃入套管內壁并承受較大的軸向力，采用行業內通用的對卡瓦齒進行滲碳淬火的熱處理工藝，熱處理后卡瓦齒面的硬度可達到58～62 HRC，滲碳層有效厚度不低于0.6 mm，卡瓦心部硬度可達35～45 HRC。20CrMnTi鋼滲碳淬火后的最小屈服強度為850 MPa，最小抗拉強度為1 080 MPa。結合已有的設計經驗，取204.4 ℃（400 ℉）時20CrMnTi鋼因溫度變化導致的材料最小屈服強度降低系數為0.85，可得到20CrMnTi鋼在該溫度下的最小屈服強度為722.5 MPa，最小抗拉強度為918 MPa。

2） 卡瓦組件結構優化設計。

主要考慮實現上卡瓦、下卡瓦順序啟動的結構構想。影響設計的關鍵因素有封隔器適用的最大套管內徑、最小套管內徑、一定狗腿度下封隔器下入固定件及活動件的安全間隙、卡瓦結構類型、卡瓦坐封的徑向與軸向坐封距離、各組件間安裝間隙及尺寸鏈等。

考慮到所設計的為永久式封隔器，封隔器整體結構采用密封膠筒上、下雙卡瓦的結構形式，以保障封隔器的可靠懸掛性能。這種結構要求在封隔器膠筒完全坐封前，位于密封膠筒下部的下卡瓦的卡瓦牙不能吃入套管內壁，否則自下向上的坐封力不能順利傳遞到密封膠筒組合，影響其完成坐封動作，進而使得封隔器密封性能不足，難以承受過高的密封壓差。研究設計了如圖3所示的籠式下卡瓦組件結構，滿足封隔器密封膠筒坐封完成后才啟動籠式卡瓦的結構需求。

圖3所示的籠式卡瓦組件相比于常規的分瓣式卡瓦的主要特點是卡瓦牙接近360°分布，極大地增大了卡瓦牙接觸套管內壁的接觸面積，可降低卡瓦在承受軸向載荷時對套管作用的應力，減少由此對套管產生的損傷。在不超過籠式卡瓦材料許用應力的條件下，籠式卡瓦卸載后在彈性力作用下可恢復坐封前的尺寸及形狀。相比于整體破斷式卡瓦結構，該種結構不需要精確控制卡瓦的破斷力，對材料性能以及加工工藝的要求相對較低，可以通過控制剪切裝置的純剪切力來較為精確地控制卡瓦的啟動力。通過優化設計，得到套管內徑與籠式卡瓦安裝外徑的間隙為4.0 mm、籠式卡瓦徑向坐封距離為4.8 mm的卡瓦組件方案。

3） 籠式卡瓦結構優化設計。

主要是優化卡瓦接觸錐角、籠式卡瓦割縫數量、卡瓦厚度等結構參數。借助ANSYS有限元分析軟件，先后通過簡化軸對稱模型、3D等模型，對結構進行有限元仿真分析，得到籠式卡瓦在設計工況下的等效應力分布，并采用參數化仿真分析方法優化卡瓦結構參數。設計優選的籠式卡瓦接觸錐角為20°，單側割縫數量為16條。該籠式卡瓦結構在設計工況下的等效應力及變形如圖4所示。

由圖4知，籠式卡瓦在部分位置的應力超過材料的許用強度722.5 MPa，其分布區域如圖5所示。該區域位置均集中在割縫的端部附近。參照API? SPEC 11D1－2021中高溫高壓設計流程圖采用的設計方法［18］，需要進一步對結構進行棘輪分析，判定設計是否符合ASME Div.2 5.5.7或者Div.3 KD-234的要求，是否發生擴展式的塑性變形而導致結構失效。考慮到模型的復雜性，以及棘輪分析所需要的材料塑性狀態下的應力應變數據獲取難度，采用實物測試的方式對結構進行進一步的設計驗證。

4） 籠式卡瓦驗證測試。

對等尺寸籠式卡瓦樣機進行試驗，驗證此前的優化設計結果。對卡瓦樣機進行反復50次坐封過程加載、卸載測試，如圖6所示。通過對測試數據分析，得出卡瓦的坐封力、坐封行程與設計值基本一致，且坐封完成并卸載坐封載荷后卡瓦可恢復到坐封前尺寸，無明顯塑性變形，符合設計要求。

2.2 密封膠筒組件結構設計

高溫高壓封隔器對密封膠筒組件的要求極為嚴苛，不但需要承受井下接近額定溫度值的溫度，還需要承受上下環空在額定壓力壓差下的作用力產生的較高的應力，同時還需要承受溫度循環的顯著影響，對密封材料、密封結構都提出了更大的挑戰。

研究設計了無隔環三膠筒（如圖7 a所示）和帶隔環三膠筒（如圖7 b所示）2種密封膠筒組合方案。2種密封膠筒組合均采用更為可靠密封的三膠筒結構，中膠筒的硬度低于邊膠筒，可適當地降低對坐封載荷的要求。2種膠筒均采用了聚四氟乙烯支撐環加雙金屬護肩的密封結構。通過對2種密封膠筒組件的測試表明，帶隔環的三膠筒結構的密封性能整體優于無隔環三膠筒結構。無隔環三膠筒結構在坐封過程中更容易產生不對稱的結構傾斜，使得密封可靠性降低。該結構單側壓差所有穩壓階段未見氣泡，另一側在溫度循環測試中出現非連續氣泡，未能達到API SPEC 11D1標準V0級測試要求。帶隔環三膠筒結構在整個V0級測試過程中兩側壓差的所有穩壓階段均未見氣泡冒出，測試結果符合V0級的要求。

圖8～9分別為無隔環三膠筒、帶隔環三膠筒經過V0級測試后其密封膠筒組件和AFLAS材質膠筒的狀態，可以看出無隔環三膠筒結構在68.94 MPa（10 000 psi）、204 ℃的V0級測試后出現明顯傾斜，2種結構的密封膠筒在測試后其金屬護肩均幾乎完美對稱的與套管內壁貼合，這證明與其接觸的聚四氟乙烯支撐環產生了良好的支撐作用和防擠出效應，從而對額定壓力、額定溫度下的AFLAS橡膠材質的三膠筒起到了良好的保護作用。

3 整機試驗測試

3.1 封隔器結構

以設計的籠式卡瓦組件為基礎，結合封隔器的設計經驗，研究設計了滿足表1設計參數要求的液壓坐封永久式封隔器，結構如圖10所示。樣機如圖11所示。

3.2 封隔器的設計確認測試

為了驗證該封隔器的綜合性能，使用高溫高壓封隔器測試系統對所研制的封隔器進行產品性能包絡線在內的各項測試。測試系統如圖12所示，包含：加溫保溫系統、軸向力加載系統、油管及套管上下環空加壓系統、氣泡收集裝置等測試子系統。該測試系統的1個特點是軸向力加載系統為水平部署，可施加不大于1 000 kN的軸向載荷。

封隔器水平安裝工況下性能包絡線測試方案如圖13所示，實物照片如圖14所示。

設計確認測試流程及接收標準符合API SPEC 11D1 對V0設計等級的封隔器的各項要求。封隔器通過了壓力反轉測試、性能包絡線測試、溫度循環測試等在內的各項測試，所有測試過程中氣體收集裝置未收集到氣泡，測試結果符合V0級的零氣泡的接收標準。封隔器性能包絡線測試結果如圖15所示。

4 結論

1） 提出了卡瓦的設計方法（流程），涵蓋從材料評估、卡瓦組件結構優化、卡瓦結構優化、設計驗證等設計要點，并優化了籠式卡瓦的結構參數。使用以上設計方法設計了液壓坐封永久式封隔器，具有可控啟動的籠式卡瓦組件，且具有耐高溫、高壓性能。

2） 研究表明，帶隔環三膠筒結構較無隔環三膠筒結構在高溫高壓V0級測試中表現出更為優異的性能。研制的金屬護肩結構對PTFE支撐環起到了良好的保護作用。

3） 對籠式卡瓦進行有限元靜力學分析表明，割縫的縫端區域存在超出材料許用應力的應力狀態。因為棘輪分析方法的復雜性，對籠式卡瓦樣機進行循環坐封加載、卸載測試，結果表明所設計的籠式卡瓦滿足功能與強度的各項要求。

4） 在更為嚴苛的水平放置的測試條件下，對所研制的高溫高壓封隔器進行了符合API SPEC 11D1 標準V0設計等級的各項測試，測試結果表明設計的封隔器符合技術要求。

5） 由于高溫高壓水平式封隔器測試系統的軸向載荷限制，此次封隔器性能包絡線測試的最大軸向力僅測試至1 000 kN，該數值小于封隔器的性能極限值。后續可改進測試系統，提升相關的測試能力。

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