□ 谷 磊

中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101

1 設(shè)計(jì)背景

擴(kuò)張式封隔器坐封后,能夠?qū)ξ挥谙虏康沫h(huán)空進(jìn)行密封。為提高密封性能和保護(hù)膠筒,在擴(kuò)張式封隔器膠筒上端設(shè)計(jì)了護(hù)肩機(jī)構(gòu)。護(hù)肩機(jī)構(gòu)能夠在膠筒脹封時(shí)產(chǎn)生塑性變形,與井壁形成摩擦力,防止膠筒承壓后產(chǎn)生位移和擠出變形。常規(guī)入井試驗(yàn)受井筒結(jié)構(gòu)限制,只能進(jìn)行上環(huán)空試壓,無法真實(shí)測(cè)試擴(kuò)張式封隔器的工作狀態(tài)。并且對(duì)于上提解封擴(kuò)張式封隔器而言,上環(huán)空試壓容易導(dǎo)致封隔器提前發(fā)生解封動(dòng)作。擴(kuò)張式封隔器需要在一定井眼范圍內(nèi)坐封,如外徑為178 mm的擴(kuò)張式封隔器,需要在內(nèi)徑為241 mm的井筒內(nèi)坐封,由于存在10%井眼擴(kuò)大率,這一封隔器在內(nèi)徑為265 mm的井筒內(nèi)同樣需要能夠坐封。

由以上介紹可知,擴(kuò)張式封隔器的性能與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都有較高的要求。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置,用于模擬實(shí)際井況,充分測(cè)試擴(kuò)張式封隔器的性能[1-5]。

2 擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)

擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)如圖1所示。擴(kuò)張式封隔器通過膠筒進(jìn)液膨脹,實(shí)現(xiàn)環(huán)空密封。擴(kuò)張式封隔器工作時(shí),由中心管進(jìn)液孔進(jìn)液。中心管內(nèi)憋壓超過啟動(dòng)剪釘設(shè)定值后,剪斷啟動(dòng)剪釘,單向閥向右運(yùn)動(dòng),使液體進(jìn)入膠筒,進(jìn)而使膠筒膨脹。膨脹達(dá)到設(shè)定壓力值后,膠筒完全坐封。坐封后中心管內(nèi)停止進(jìn)液,并開始泄壓,單向閥在彈簧的作用下復(fù)位并密封,使膠筒內(nèi)部保持壓力,從而保持坐封狀態(tài)。擴(kuò)張式封隔器膠筒護(hù)肩機(jī)構(gòu)采用延展性較好的金屬塑性材料,并設(shè)計(jì)為鋸齒結(jié)構(gòu)。擴(kuò)張式封隔器脹封過程中,護(hù)肩機(jī)構(gòu)產(chǎn)生變形,并緊貼井壁,增大擴(kuò)張式封隔器與井壁的摩擦力。護(hù)肩機(jī)構(gòu)變形后開口朝向膠筒,防止膠筒受到下部環(huán)空高壓而發(fā)生破壞、擠出[6-7]。擴(kuò)張式封隔器解封時(shí),上提中心管,使膠筒腔體內(nèi)的液體由泄壓孔與管外連通,進(jìn)而使膠筒腔體內(nèi)的高壓釋放,由此膠筒恢復(fù)到坐封前的狀態(tài),擴(kuò)張式封隔器實(shí)現(xiàn)解封[8]。擴(kuò)張式封隔器的外徑為178 mm,需要在內(nèi)徑為241～265 mm的井筒內(nèi)實(shí)現(xiàn)坐封。

3 擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)擴(kuò)張式封隔器的結(jié)構(gòu)及工作條件,設(shè)計(jì)了擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置,能夠模擬真實(shí)井況條件,實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)張式封隔器坐封和解封性能進(jìn)行測(cè)試[9-10]。測(cè)試裝置由坐封封頭、解封封頭、套管、驗(yàn)封封頭、堵頭等組成,如圖2所示。測(cè)試過程中,將擴(kuò)張式封隔器放入套管中,擴(kuò)張式封隔器兩端分別連接坐封封頭、堵頭,并形成密封。解封封頭和驗(yàn)封封頭通過螺紋與套管兩端連接固定,同樣形成密封。通過坐封封頭進(jìn)液,使膠筒進(jìn)液加壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行坐封測(cè)試。通過驗(yàn)封封頭進(jìn)液加壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行驗(yàn)封測(cè)試。通過解封封頭進(jìn)液加壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行解封測(cè)試。

4 坐封測(cè)試

擴(kuò)張式封隔器組裝好后,放入內(nèi)徑為241 mm的套管內(nèi),并連接各個(gè)封頭。坐封過程中,液體經(jīng)過坐封封頭進(jìn)入中心管,并通過加壓泵加壓。壓力達(dá)到設(shè)定值后,剪斷啟動(dòng)剪釘,單向閥向右運(yùn)動(dòng),液體進(jìn)入膠筒內(nèi)部,使膠筒發(fā)生膨脹。膠筒內(nèi)部承壓達(dá)到15 MPa,并保持5 min,確保擴(kuò)張式封隔器完全脹封,然后停泵泄壓。泄壓后,單向閥在后端彈簧的作用下復(fù)位,使膠筒內(nèi)部繼續(xù)保持高壓,從而使膠筒保持坐封狀態(tài)。擴(kuò)張式封隔器坐封狀態(tài)如圖3所示。

5 驗(yàn)封測(cè)試

擴(kuò)張式封隔器坐封后,膠筒膨脹,將套管分為上部環(huán)空與下部環(huán)空。驗(yàn)封測(cè)試時(shí),通過對(duì)下部環(huán)空進(jìn)液加壓,驗(yàn)證擴(kuò)張式封隔器及其膠筒的密封壓力。擴(kuò)張式封隔器驗(yàn)封狀態(tài)如圖4所示。

液體由驗(yàn)封封頭進(jìn)入套管與擴(kuò)張式封隔器之間的下部環(huán)空,如箭頭所示。液體充滿后,逐漸增大壓力,最終達(dá)到20 MPa,并保持15 min以上,擴(kuò)張式封隔器成功實(shí)現(xiàn)坐封,密封壓力曲線如圖5所示。為了驗(yàn)證擴(kuò)張式封隔器在內(nèi)徑265 mm井筒內(nèi)的坐封性能,將內(nèi)徑為241 mm的套管更換為內(nèi)徑為265 mm的套管,并更換配套的解封封頭及驗(yàn)封封頭,進(jìn)行坐封及驗(yàn)封測(cè)試。通過測(cè)試確認(rèn)密封壓力仍可達(dá)到20 MPa,可見擴(kuò)張式封隔器在內(nèi)徑為241～265 mm的井筒內(nèi)密封壓力均可達(dá)到20 MPa,超過設(shè)計(jì)指標(biāo)(15 MPa)。

▲圖1 擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)▲圖2 擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)▲圖3 擴(kuò)張式封隔器坐封狀態(tài)▲圖4 擴(kuò)張式封隔器驗(yàn)封狀態(tài)

▲圖5 擴(kuò)張式封隔器密封壓力曲線

6 解封測(cè)試

常規(guī)擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置不具備解封功能。在完成坐封后,需要通過拉伸試驗(yàn)機(jī)使套管和中心管產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并超過解封剪釘設(shè)定值,進(jìn)而使中心管泄壓孔與膠筒連通。膠筒高壓液體由泄壓孔排出，實(shí)現(xiàn)解封。筆者設(shè)計(jì)的擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置具備解封功能,通過對(duì)膠筒與中心管的上部環(huán)空進(jìn)行加壓,即可實(shí)現(xiàn)膠筒與中心管產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),不再需要使用拉伸試驗(yàn)機(jī)。擴(kuò)張式封隔器解封狀態(tài)如圖6所示。液體通過解封封頭進(jìn)入上部環(huán)空,如箭頭所示。液體充滿上部環(huán)空后,增大上部環(huán)空壓力。中心管兩端與套管固定,包括膠筒在內(nèi)的中心管以外部件產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的推力,達(dá)到解封剪釘設(shè)定值時(shí),使膠筒與中心管泄壓孔連通并泄壓,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解封。擴(kuò)張式封隔器解封測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

▲圖7 擴(kuò)張式封隔器解封測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

▲圖6 擴(kuò)張式封隔器解封狀態(tài)

7 結(jié)束語

為滿足擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試的需求,設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)張式封隔器坐封和解封性能測(cè)試的擴(kuò)張式封隔器性能測(cè)試裝置。應(yīng)用這一性能測(cè)試裝置對(duì)外徑為178 mm的擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行測(cè)試,確認(rèn)該擴(kuò)張式封隔器在內(nèi)徑為241～265 mm的井筒內(nèi)密封壓力均可達(dá)到20 MPa。與此同時(shí),這一性能測(cè)試裝置具備解封功能,簡(jiǎn)化了測(cè)試流程,提高了測(cè)試效率,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。