劉 林，陳和平，李永革，王 琴

水平井分段壓裂封隔器研制與封隔性能分析

劉 林1，陳和平2，李永革2，王 琴1

（1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，成都610500；2.中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦124010）①

在國內(nèi)外封隔器研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合分析水平井分段壓裂技術(shù)，設(shè)計出一種新型水平井分段壓裂封隔器。介紹了該封隔器的應(yīng)用工況、主要結(jié)構(gòu)和工作原理，采用幾何、材料非線性接觸問題的方法建立封隔器的力學(xué)模型，通過應(yīng)用ABAQUS軟件模擬封隔器膠筒的坐封情況，為封隔器結(jié)構(gòu)改進提供了理論依據(jù)。對進一步提高封隔器的理論研究水平、減少井下事故、提高油氣勘探開發(fā)效率、降低生產(chǎn)成本等具有重要意義。

封隔器；膠筒；有限元分析；ABAQUS

封隔器在石油開采過程中使用非常廣泛，例如油井分層注水、分層開采、分層酸化及水平井分段壓裂中都會用到，其封隔性能直接影響分層和分段工藝的實現(xiàn)。鑒于封隔器在油田生產(chǎn)的重要性，因此研究封隔器對提高油氣井的產(chǎn)量具有重要意義。近年來在封隔器設(shè)計上，現(xiàn)代機械設(shè)計及自動化分析軟件得到越來越普遍的應(yīng)用［1－4］，計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用降低了封隔器研制成本，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的綜合性能。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

水平井分段壓裂用封隔器主要由油管扣、中心管、定位殼體、防變形環(huán)、隔環(huán)、膠筒組、力傳遞環(huán)、一級活塞、外殼體、加長中心管、力傳遞筒、二級活塞、連接段、下接頭等組成［5－6］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水平井分段壓裂用封隔器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

在水平井分段壓裂工藝中，該封隔器和滑套一起配套組合為水平井分段壓裂工具，2個封隔器間安裝滑套。水平井分段壓裂封隔器按工藝要求連接，向管柱內(nèi)泵入高壓流體介質(zhì)，高壓流體介質(zhì)從油管扣的方向流經(jīng)傳壓孔，分別作用一級、二級活塞，壓力通過連接件傳遞使膠筒組壓縮到位，封隔井筒的環(huán)形空間；然后投球打開滑套，對該段進行壓裂。當(dāng)壓裂工藝完成時，流體介質(zhì)從管柱環(huán)空進入反排出鋼球，最后提起管柱，完成水平井壓裂工藝［7－9］。

1.3 性能特點

1） 該封隔器為壓縮式裸眼封隔器，結(jié)構(gòu)簡單，封隔可靠，使用安全，克服了原來裸眼封隔器長膠筒加工難和密封強度低的問題。

2） 膠筒兩端設(shè)計有金屬變形限位機構(gòu)，可以防止膠筒過壓后翻轉(zhuǎn)變形，該結(jié)構(gòu)具有工作壓力越大密封強度越高的特點。

3） 該封隔器屬于2級增壓，同樣的介質(zhì)壓力能夠提供更大的軸向壓力，利于膠筒壓縮到位。

1.4 技術(shù)參數(shù)

最大外徑145mm

最小內(nèi)通徑76mm

總長度1 585mm

最大耐壓70MPa

2 封隔性能分析

2.1 模型建立

封隔器是軸對稱的［10］，經(jīng)過分析，建立如圖2所示的計算模型。

圖2 封隔器計算模型

1） 條件假設(shè) 橡膠類材料表現(xiàn)出彈性和高度非線性，這種材料特性成為超彈性。作如下假設(shè)：材料為彈性；材料為各向同性；材料默認(rèn)為不可壓縮；模擬將包括幾何非線性效應(yīng)［11］。

2） 設(shè)置材料 中心管、隔環(huán)和壓環(huán)的材料為35CrMo，鋼密度為7 800kg／m3，彈性模量為2.1× 105MPa，泊松比為0.3；巖石密度為2 300kg／m3，彈性模量為6×103MPa，泊松比為0.24［12］。橡膠為超彈性材料，使用Yeoh［13］模型來模擬橡膠材料，溫度均為120℃，試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 橡膠材料試驗數(shù)據(jù)

3） 定義接觸 法向?qū)傩裕∟ormal Behavior）為默認(rèn)設(shè)置；切向?qū)傩裕═angential Behavior）將主要摩擦公式設(shè)置為罰函數(shù)（Penalty）［14］。

4） 邊界條件 如圖2所示，中心管兩端、左壓環(huán)和井壁左右兩端處U2為0；圖2中井壁上側(cè)U1為0。其中，U1為圖中豎直方向的位移；U2為圖中水平方向的位移。

5） 載荷處理 將2級增壓的封隔器產(chǎn)生的力等效為1個壓力載荷直接加載到右端的壓環(huán)上，膠筒坐封壓力為45MPa。

2.2 結(jié)果分析

在45MPa的介質(zhì)壓力作用下，膠筒的變形如圖3所示。主膠筒起主要密封作用，兩端膠筒起輔助作用。由于該封隔器應(yīng)用于裸眼井中，實際的井壁并不是一個光滑的圓柱面，而是一個凹凸不平的面，因此，在實際工況下，兩端的輔助膠筒能夠起到一定的密封作用。

圖3 模型的總應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1） 該新型裸眼封隔器能夠滿足水平井分段壓裂的要求，提高了我國裸眼完井水平井分段壓裂的工藝技術(shù)水平和配套工具水平。

2） 利用ABAQUS軟件對新型多膠筒封隔器進行力學(xué)分析，證明了該封隔器能夠滿足裸眼水平井的分段壓裂工藝要求。

3） 通過有限元分析，可以得到裸眼井壁的應(yīng)力分布規(guī)律，為封隔器的結(jié)構(gòu)改進提供了依據(jù)。

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Development and the Sealing Performance Analysis of Packer on the Horizontal Section Fracturing

LIU Lin1，CHEN He-ping2，LI Yong－ge2，WANG Qin1
（1.College of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China；2.Engineering Technology Research Institute，GWDC，Panjin124010，China）

On the bases of packer system’s research results at home and abroad，through the analy-sis of horizontal piecewise fracturing technology，a new type of Multi-cylinder Packer was designed.This paper introduced plastic tube packer application condition，main structure and working principle.The packer mechanical model established，through application of ABAQUS software to simulate the sealing condition of the packer，as the theory basis of the improved structure of the packer.There would be very important signification for improving the research level，reducing the down-hole accident，increasing the exploring and developing efficiency of oil and gas，cutting down the production cost，and so on.

packer；fracturing；finite element analysis；ABAQUS

TE931.2

A

1001-3482（2012）05-0086-03

2011-11-19

劉 林（1984-），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要從事油氣田地面工程與石油天然氣裝備及流體機械研究，E-mail：liulin19840211＠163.com。