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(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300456； 2.中海石油(中國(guó))有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518067；3.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津 300456)

滑套是采油管柱中重要的井下工具，它可以將油套環(huán)空可控地連通起來(lái)，主要用于分層開(kāi)采，完井后誘噴、循環(huán)壓井、下堵塞器關(guān)井試壓等作業(yè)[1-2]。生產(chǎn)過(guò)程中，滑套的開(kāi)和關(guān)是通過(guò)鋼絲作業(yè)完成，其成功與否，取決于滑套彈性爪開(kāi)關(guān)力的大小及組合密封性能的優(yōu)劣，若開(kāi)關(guān)力大于鋼絲額定載荷，有拉斷鋼絲造成井下落物的隱患。同時(shí)，由于滑套長(zhǎng)期開(kāi)關(guān)作業(yè)，也會(huì)引發(fā)滑套在井底泄露的問(wèn)題[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的2 a內(nèi)，渤海油田有6口井出現(xiàn)因滑套無(wú)法打開(kāi)和井底發(fā)生泄露而實(shí)施大修的情況。因此，對(duì)新型高壓生產(chǎn)滑套的研究具有重要意義。文獻(xiàn)[4]對(duì)海上完井滑套開(kāi)關(guān)工具的彈性爪進(jìn)行了有限元分析，試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的合理性。文獻(xiàn)[5]分析了不同類(lèi)型密封結(jié)構(gòu)對(duì)深水生產(chǎn)滑套密封性能的影響，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了不同密封件的密封性能。然而，針對(duì)滑套的開(kāi)關(guān)力及密封問(wèn)題的研究，國(guó)內(nèi)外所涉及的內(nèi)容尚少。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況、綜合考慮開(kāi)關(guān)力和密封性能，研制了一種新型高壓滑套，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行研究，結(jié)果表明：新型高壓生產(chǎn)滑套既可滿(mǎn)足油田使用要求，又能避免現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 施工工藝及風(fēng)險(xiǎn)分析

滑套的開(kāi)啟與關(guān)閉主要靠鋼絲攜帶開(kāi)關(guān)工具實(shí)現(xiàn)，作業(yè)施工如圖1所示，其施工步驟：

1) 將鋼絲作業(yè)設(shè)備與井口連接。

2) 鋼絲連接開(kāi)關(guān)工具串：鋼絲—振擊器—加重桿—開(kāi)關(guān)工具等下入到預(yù)定位置。

3) 向上振擊打開(kāi)滑套，直到開(kāi)關(guān)工具從內(nèi)滑套內(nèi)脫手。

4) 回收鋼絲作業(yè)工具串，檢測(cè)開(kāi)關(guān)工具是否應(yīng)急脫手。

5) 若應(yīng)急脫手，調(diào)整開(kāi)關(guān)工具繼續(xù)實(shí)施1～4施工步驟，直到開(kāi)關(guān)工具不觸發(fā)應(yīng)急脫手機(jī)構(gòu)而順利回收。

1—滑輪組；2—鋼絲；3—井口及防噴器；4—油管；5—上滑套；6—加重桿；7—振擊器 ；8—開(kāi)關(guān)工具；9—下滑套；10—生產(chǎn)套管。

施工中出現(xiàn)的問(wèn)題：

1) 鋼絲作業(yè)施工過(guò)程中，向上振擊開(kāi)啟或向下振擊關(guān)閉滑套時(shí)，出現(xiàn)經(jīng)多次振擊內(nèi)滑套而無(wú)法打開(kāi)或關(guān)閉滑套的情況，致使開(kāi)關(guān)工具應(yīng)急脫手。施工過(guò)程中由于開(kāi)關(guān)力較大，有振斷鋼絲造成井下事故的隱患。

2) 滑套內(nèi)部密封經(jīng)多次往復(fù)磨損而無(wú)法承壓，導(dǎo)致泄露的隱患。

2 滑套結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)滑套無(wú)法正常開(kāi)關(guān)，及滑套密封在井下經(jīng)多次往復(fù)磨損而失去密封性能的問(wèn)題，研制了一種新型高壓生產(chǎn)滑套，開(kāi)關(guān)工具與滑套配合結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖如圖2～3所示。開(kāi)關(guān)工具通過(guò)彈性移位爪卡緊內(nèi)滑套下部臺(tái)肩，通過(guò)振擊器向下振擊以實(shí)現(xiàn)帶有過(guò)流孔的內(nèi)外滑套相互錯(cuò)動(dòng)，完成滑套的關(guān)閉、流體平衡、開(kāi)啟3個(gè)功能。這3個(gè)功能分別對(duì)應(yīng)3個(gè)不同鎖緊槽，在經(jīng)過(guò)每個(gè)鎖緊槽時(shí)，內(nèi)滑套彈性爪進(jìn)入鎖緊槽內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)鎖緊內(nèi)滑套防止竄動(dòng)的作用。圖2為滑套處于開(kāi)啟位置，內(nèi)滑套與外滑套過(guò)流孔相通，建立流體通道，實(shí)現(xiàn)作業(yè)需求，內(nèi)滑套彈性爪處于下接頭鎖緊槽3內(nèi)。鋼絲作業(yè)中，上提鋼絲，促使開(kāi)關(guān)工具移動(dòng)內(nèi)滑套，其軸向力須克服內(nèi)滑套彈性爪進(jìn)、出鎖緊槽時(shí)的軸向摩擦力及V型組合密封由過(guò)盈量產(chǎn)生的軸向摩擦力之和。當(dāng)內(nèi)滑套彈性爪及V型組合密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，會(huì)造成鋼絲載荷較大，工具應(yīng)急脫手、振斷鋼絲及密封失效等諸多問(wèn)題。

3 滑套開(kāi)關(guān)受力分析

內(nèi)滑套發(fā)生軸向位移才能使滑套開(kāi)啟與關(guān)閉。在滑套的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，滑套某一開(kāi)啟過(guò)程及局部受力如圖4所示，鋼絲所克服的最大軸向拉力即為最大開(kāi)關(guān)力。

1—上接頭；2—組合密封；3—外滑套；4—內(nèi)滑套；5—下接頭鎖緊槽1；6—下接頭；7—下接頭鎖緊槽2；8—振擊器連接頭；9—開(kāi)關(guān)工具定位爪；10—下接頭鎖緊槽3；11—彈性移位爪；12—滑套擋塊；13—開(kāi)關(guān)工具下接頭。

圖3 開(kāi)關(guān)工具與滑套配合實(shí)物

1—上接頭；2—內(nèi)滑套；3—外滑套；4—下接頭。

Nmax=F1+F2+F3

(1)

式中：Nmax為最大開(kāi)關(guān)力；F1為內(nèi)滑套與上下接頭及外滑套之間的軸向摩擦力；F2為兩組V型組合密封產(chǎn)生的軸向摩擦力；F3為內(nèi)滑套彈性爪進(jìn)、出槽所產(chǎn)生的軸向摩擦力。

內(nèi)滑套在鎖緊槽內(nèi)時(shí)：F3=0，此時(shí),最小開(kāi)關(guān)力為

Nmin=F1+F2

(2)

式中：Nmin為最小開(kāi)關(guān)力。

內(nèi)滑套不在槽內(nèi)時(shí)，F(xiàn)3≠0，式(1)成立。

4 彈性爪有限元分析

4.1 建立有限元力學(xué)模型

由于彈性爪為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，約束和載荷具有軸對(duì)稱(chēng)性，故取結(jié)構(gòu)的1/4分析，單元采用具有塑性、大變形及大應(yīng)變能力的Solid185單元進(jìn)行分析[6]。材料選為42CrMo鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，達(dá)到P110鋼級(jí)，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3，摩擦因數(shù)0.1，屈服強(qiáng)度855 MPa，拉伸強(qiáng)度920 MPa[7]。建立的彈性爪與下接頭之間的三維有限元力學(xué)模型如圖5所示。

4.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)彈性爪過(guò)槽收縮時(shí)的有限元分析，提取彈性爪Mises應(yīng)力與軸向位移之間的變形云圖及最大應(yīng)力與位移之間的關(guān)系如圖6所示。在彈性爪徑向收縮的過(guò)程中，隨著軸向位移的加大，彈性爪根部應(yīng)力隨之越大，直到彈性爪最大外徑與下接頭內(nèi)徑貼合，即彈性爪完全收縮時(shí)，根部應(yīng)力達(dá)到827.4 MPa，其后應(yīng)力趨于穩(wěn)定。與材料屈服強(qiáng)度相比，滑套開(kāi)關(guān)過(guò)程中，彈性爪仍處于彈性范圍內(nèi)，材料尚未發(fā)生破壞。

圖5 彈性爪有限元模型

圖6 彈性爪過(guò)槽時(shí)最大Mises應(yīng)力與軸向位移之間的關(guān)系

彈性爪過(guò)槽時(shí)摩擦力與軸向位移的關(guān)系如圖7所示，彈性爪在爬上斜面時(shí)，隨著軸向位移的增大，彈性爪徑向收縮，摩擦力逐漸增大，直到彈性爪收縮完成，摩擦力出現(xiàn)峰值1.05 kN，其后穩(wěn)定在1.02 kN左右，可認(rèn)為滑套在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，由彈性爪引起的平均摩擦力F3=1.02 kN。

圖7 彈性爪過(guò)槽時(shí)摩擦力與軸向位移的關(guān)系

5 室內(nèi)試驗(yàn)

5.1 滑套開(kāi)關(guān)性能試驗(yàn)

將滑套置于拉拔機(jī)上，拉拔機(jī)液缸與開(kāi)關(guān)工具下接頭相連，固定外滑套，進(jìn)行開(kāi)啟試驗(yàn)，之后調(diào)換開(kāi)關(guān)工具方向使其與內(nèi)滑套上臺(tái)階配合，實(shí)施關(guān)閉試驗(yàn)，往復(fù)拉拔22次，共11次開(kāi)關(guān)過(guò)程。第1次滑套開(kāi)關(guān)過(guò)程中軸向力與位移的關(guān)系如圖8所示。

對(duì)圖8分析可知：滑套開(kāi)關(guān)時(shí)，其內(nèi)滑套彈性爪相繼經(jīng)過(guò)3個(gè)鎖緊槽，在這過(guò)程中，由于彈性爪的徑向收縮與復(fù)原，引起了拉拔力規(guī)律性的變化：彈性爪在鎖緊槽內(nèi)部時(shí)，不產(chǎn)生軸向摩擦力，即F3=0，滑套的最小開(kāi)關(guān)力Nmin平均為0.74 kN；彈性爪不在3個(gè)鎖緊槽內(nèi)部時(shí)，拉拔力為滑套的最大開(kāi)關(guān)力Nmax(平均為1.88 kN)。最大開(kāi)關(guān)力與最小開(kāi)關(guān)力之差即為滑套彈性爪徑向收縮產(chǎn)生的軸向平均摩擦力F3=1.14 kN。與上述有限元分析的結(jié)果1.02 kN相比，誤差在10.5%以?xún)?nèi)。為了得到多次開(kāi)關(guān)后的開(kāi)關(guān)力情況，統(tǒng)計(jì)滑套開(kāi)關(guān)力數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)表1分析可知：滑套經(jīng)過(guò)11次的開(kāi)關(guān)試驗(yàn)，最大開(kāi)關(guān)力Nmax呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，彈性爪引起的軸向摩擦力F3在第9次后保持不變，內(nèi)滑套與各部件間的摩擦力和組合密封引起的摩擦力之和Nmin逐漸減小。其原因在于組合密封在經(jīng)過(guò)多次往復(fù)摩擦后表面有少量的磨損，從而引起Nmin逐漸減小，使最大開(kāi)關(guān)力Nmax由原來(lái)的1.88 kN減小到1.84 kN，之后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明滑套具有多次往復(fù)開(kāi)關(guān)的性能。

a 關(guān)閉過(guò)程

b 開(kāi)啟過(guò)程

表1 滑套開(kāi)關(guān)力統(tǒng)計(jì) kN

5.2 滑套承壓性能試驗(yàn)

為了得到開(kāi)關(guān)過(guò)程中滑套的密封性能，分別在第1次、第9次、第11次拉拔試驗(yàn)后，按照?qǐng)D9結(jié)構(gòu)將其連接，按照4階梯壓力進(jìn)行試壓[8]，試壓結(jié)果如表2所示。

1—傳壓孔3；2—密封圈 ；3—上接頭；4—外筒；5—組合密封；6—外滑套；7—組合密封；8—內(nèi)滑套；9—下接頭；10—傳壓孔2；11—下堵頭；12—密封圈；13—傳壓孔1；14—上堵頭。

表2 密封性能試驗(yàn)數(shù)據(jù) MPa

對(duì)表2進(jìn)行分析可知：無(wú)論是單獨(dú)測(cè)試外壓還是測(cè)試內(nèi)壓，經(jīng)過(guò)4個(gè)階梯承壓試驗(yàn)后，滑套都有較好的密封性能，內(nèi)部能承受高達(dá)到45 MPa的壓力，外部能承受高達(dá)50 MPa的壓力，能夠滿(mǎn)足渤海各大油田的需求。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在渤海區(qū)塊綏中油田的1口井下入3個(gè)滑套，井況如表3所示。

表3 井況數(shù)據(jù)

采用SS316材質(zhì)、直徑為2.74 mm(0.108 in)，最小拉斷力為8.7 kN的鋼絲，攜帶開(kāi)關(guān)工具進(jìn)行作業(yè)，結(jié)果顯示：

1) 1號(hào)滑套開(kāi)關(guān)力1.95 kN，2號(hào)滑套開(kāi)關(guān)力2.01 kN，3號(hào)滑套開(kāi)關(guān)力2.1 kN。開(kāi)關(guān)力比地面試驗(yàn)高出0.22～0.26 kN，符合鋼絲作業(yè)開(kāi)關(guān)力小于最小拉斷強(qiáng)度40%的規(guī)范。

2) 3個(gè)滑套均能滿(mǎn)足41 MPa的內(nèi)部施工壓力和34 MPa外部地層壓力，且作業(yè)過(guò)程中開(kāi)關(guān)工具無(wú)應(yīng)急脫手現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

7 結(jié)論

1) 新型高壓滑套采用彈性爪與組合密封相結(jié)合的設(shè)計(jì)，既能滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)力的要求，又能保證多次開(kāi)關(guān)后的長(zhǎng)久密封性能，克服了常規(guī)滑套不易打開(kāi)、密封不嚴(yán)的難題。

2) 模擬及試驗(yàn)結(jié)果表明：滑套的開(kāi)關(guān)力主要來(lái)源于組合密封和彈性爪產(chǎn)生的摩擦力，其中彈性爪的摩擦力占主要因素，為進(jìn)一步的優(yōu)化滑套結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

3) 新型高壓滑套具備既能密封高壓，又能順利實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)，提高了作業(yè)效率，減少了作業(yè)隱患。該項(xiàng)技術(shù)具有推廣應(yīng)用價(jià)值及廣闊的市場(chǎng)前景。