李鴻婧

（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠財(cái)務(wù)資產(chǎn)部，黑龍江 大慶 163319）

我國(guó)現(xiàn)存的大型油田多始于19世紀(jì)50年代左右，多數(shù)已處于開采后期。為實(shí)現(xiàn)剩余油有效開采，開采深度呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)，注采井的井況愈發(fā)復(fù)雜，開采時(shí)井下壓力也逐漸增大，對(duì)封隔器密封、錨定性能和耐溫性能要求也越來越高。有資料表明，封隔器的串層和泄封現(xiàn)象導(dǎo)致的修井作業(yè)可達(dá)總修井作業(yè)次數(shù)的8.5%，提升現(xiàn)有封隔器使用性能或開發(fā)新型高性能封隔器仍是提高注采井作業(yè)安全性的重要手段。為了保證老井注采作業(yè)的安全性，眾多專家學(xué)者近年來在封隔器使用性能提升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面開展了大量工作，也得到了相應(yīng)的成果和結(jié)論。當(dāng)前專家學(xué)者多采用數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗(yàn)等方式，對(duì)膠筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或是研發(fā)新式封隔器結(jié)構(gòu)，以求獲得更好的使用性能或更高的可靠性。但數(shù)值模擬結(jié)果或結(jié)論的真實(shí)性需要實(shí)際驗(yàn)證，室內(nèi)試驗(yàn)無法完全反應(yīng)井底的真實(shí)環(huán)境，故優(yōu)化效果的好壞仍需通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐加以檢驗(yàn)。筆者以大慶采油四廠常用的壓縮式封隔器為研究對(duì)象，通過數(shù)值方法對(duì)封隔器結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化，并基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了封隔器的優(yōu)化效果。

1 壓縮式封隔器的使用性能數(shù)值分析

1．1 壓縮式封隔器優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

本文所研究的壓縮式封隔器采用三膠筒結(jié)構(gòu)，剛體最大外徑為Φ114mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為保證密封性能模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了膠筒的材料參數(shù)，結(jié)果如表1所示，折算出邊膠筒硬度為HA90，中膠筒硬度為HA85。

圖1 壓縮式封隔器結(jié)構(gòu)

表1 單軸拉伸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

伸長(zhǎng)扯斷率 5.98 5.93 6.12 6.75拉伸強(qiáng)度/MPa 25.30 28.12 26.03 27.89

1．2 封隔器數(shù)值模型建立

建立壓縮式封隔器幾何模型，采用分塊劃分網(wǎng)格的方式劃分封隔器模型網(wǎng)格。為保證計(jì)算結(jié)果精確性，在膠筒網(wǎng)格大小0.5～2.5mm之間選擇6種網(wǎng)格尺度進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，基于結(jié)果選定網(wǎng)格大小為1mm。參照井下工況設(shè)定封隔器坐封過程的載荷與邊界約束，其中封隔器下隔環(huán)施加坐封壓力17MPa，加載時(shí)考慮動(dòng)載效應(yīng)；中心管、上隔環(huán)及套管外壁約束全部自由度以模擬真實(shí)情況。網(wǎng)格劃分、載荷與邊界條件設(shè)定情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分及載荷邊界設(shè)定情況

1．3 封隔器坐封過程數(shù)值模擬

完成參數(shù)設(shè)定后，對(duì)不同坐封壓力下壓縮式封隔器的坐封過程開展數(shù)值仿真，并對(duì)坐封后封隔器強(qiáng)度、密封與錨定性能進(jìn)行分析討論。由前人研究結(jié)果可知，封隔器膠筒的失效形式有2種：分別為接觸應(yīng)力失衡或等效應(yīng)力過大導(dǎo)致的膠筒破裂失效以及膠筒與套管間接觸應(yīng)力低于流體壓力導(dǎo)致的膠筒密封失效。故在分析模擬結(jié)果時(shí)應(yīng)對(duì)膠筒的等效應(yīng)力分布及膠筒和套管間接觸應(yīng)力分布分別進(jìn)行討論。

1．3．1 坐封過程封隔器強(qiáng)度校核

提取封隔器坐封過程的等效應(yīng)力變化情況如圖3所示。由圖可知，封隔器坐封過程中封隔器與膠筒等效應(yīng)力均遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度，封隔器強(qiáng)度滿足使用要求。

圖3 封隔器整體等效應(yīng)力及膠筒等效應(yīng)力隨坐封壓力變化情況

1．3．2 坐封過程封隔器密封性能分析

提取了不同壓力下封隔器坐封后膠筒表面的接觸應(yīng)力分布如圖4所示。圖示結(jié)果表明，膠筒接觸應(yīng)力峰值呈現(xiàn)隨坐封壓力提升而提升趨勢(shì)。坐封壓力達(dá)到8.33MPa時(shí)中膠筒首先與套管發(fā)生接觸，坐封壓力上升至10MPa時(shí)，下膠筒與套管之間開始發(fā)生接觸；完全坐封后，封隔器膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力峰值達(dá)到8.175MPa。

圖4 不同坐封壓力下膠筒接觸應(yīng)力分布情況

1．3．3 管柱滑移對(duì)封隔器密封性能影響分析

封隔器坐封后會(huì)承受井下流體壓力波動(dòng)影響，導(dǎo)致管柱與套管間產(chǎn)生滑移。分析了不同壓力下坐封后，管柱滑移對(duì)封隔器密封性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 管柱滑移對(duì)膠筒與套管之間接觸應(yīng)力影響

圖5結(jié)果表明，管柱滑移時(shí)，膠筒接觸應(yīng)力水平明顯高于坐封時(shí)水平，且坐封壓力越高變化越明顯，坐封壓力達(dá)到17MPa管柱滑移時(shí)，膠筒與套管之間接觸應(yīng)力峰值提升了4.1MPa，增幅約50%，這說明封隔器在坐封后發(fā)生管柱小范圍滑移時(shí)，封隔器的密封性能不會(huì)受到破壞。

1．3．4 不同壓力坐封后封隔器錨定性能分析

本文所研究的封隔器未使用水力錨，故膠筒與套管之間的摩擦力是封隔器軸向定位時(shí)錨定力的主要來源。不同坐封壓力下，膠筒與套管之間的摩擦力的變化情況如圖6所示。由圖可知，完全坐封后，封隔器膠筒可提供10.1kN大小的錨定力。

圖6 不同坐封壓力下封隔器錨定性能變化

2 壓縮式封隔器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2．1 優(yōu)化設(shè)計(jì)目的

本文所述壓縮式封隔器用于細(xì)分層注采作業(yè)，且受限于層間距未能逐層配備水力錨。此時(shí)各級(jí)封隔器間距極短，極易因管柱蠕動(dòng)與套管產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致串層，故應(yīng)對(duì)封隔器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不降低其密封性能的情況下提升其錨定性能，降低細(xì)分層注采時(shí)發(fā)生串層的可能性。

2．2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由于串層主要原因?yàn)槟z筒坐封后可提供的錨定力較低，故優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)為改良膠筒參數(shù)，提升膠筒與套管間接觸摩擦力峰值。針對(duì)膠筒，提出材質(zhì)優(yōu)選結(jié)合膠筒幾何參數(shù)優(yōu)選的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2．2．1 膠筒材質(zhì)優(yōu)選

當(dāng)膠筒材料越軟，其相同坐封力下的壓縮程度也會(huì)越高，設(shè)計(jì)了12組硬度組合方案分別開展模擬，確定邊膠筒硬度HA90、中膠筒硬度HA76為最優(yōu)解，坐封后總錨定力為15.6kN。

2．2．2 膠筒尺寸優(yōu)化

在優(yōu)選膠筒材質(zhì)后，對(duì)邊膠筒的幾何參數(shù)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)，膠筒截面結(jié)構(gòu)如圖7所示，尺寸優(yōu)化方案如表2所示。

表2 膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 膠筒截面結(jié)構(gòu)示意圖

不同優(yōu)化方案封隔器坐封后膠筒壓縮距與截面積變化如圖8所示。由圖可知，隨著膠筒截面積減小，封隔器坐封后的總壓縮距逐漸增大，膠筒變形量逐漸增大，膠筒與套管之間壓緊程度也逐漸提升。提取不同方案下坐封后膠筒與套管間接觸應(yīng)力峰值如圖9所示。由圖可知，隨著膠筒截面積逐漸下降，封隔器坐封后膠筒接觸應(yīng)力峰值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；上提管柱后，封隔器膠筒接觸應(yīng)力峰值呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，接觸應(yīng)力變化的趨勢(shì)與封隔器強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，接觸應(yīng)力的上述變化趨勢(shì)說明截面積的減小使得油套環(huán)空內(nèi)橡膠材質(zhì)填充體積減少，相同載荷作用下膠筒與隔環(huán)等之間擠壓程度下降。封隔器相同載荷坐封后，隨著上下膠筒截面積下降，中膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力基本保持不變，上膠筒與下膠筒和套管之間的接觸應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先上升后波動(dòng)的趨勢(shì)，下膠筒與套管之間接觸應(yīng)力峰值最高，最大接觸應(yīng)力達(dá)到19.4MPa，為方案5所得結(jié)果；當(dāng)膠筒截面積低于460mm2時(shí)，上膠筒的接觸應(yīng)力峰值高于中膠筒，這說明在這一條件下中膠筒不再起主要密封作用。由圖示結(jié)果可知，方案5中三膠筒的接觸應(yīng)力水平均較高，且接觸應(yīng)力峰值最高，故從密封性能角度而言，方案5應(yīng)為膠筒尺寸優(yōu)化最優(yōu)解。

圖8 封隔器壓縮距隨膠筒截面積變化

圖9 不同優(yōu)化方案坐封后膠筒接觸應(yīng)力變化

提取了不同優(yōu)化方案下封隔器坐封之后管柱滑移時(shí)，膠筒提供的摩擦力如圖10所示，方案0代表優(yōu)化前結(jié)果。由圖10所示結(jié)果可知，隨著膠筒截面積減小，膠筒外壁摩擦應(yīng)力值逐漸提升，但膠筒摩擦應(yīng)力峰值隨膠筒截面積不成規(guī)律性變化；而膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，膠筒與套管之間摩擦力明顯低于結(jié)構(gòu)改進(jìn)后結(jié)果，但膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，摩擦力隨膠筒截面積降低基本保持不變，中膠筒摩擦力也基本保持不變；當(dāng)膠筒截面積低于460mm2時(shí)，上膠筒和下膠筒的摩擦力較高于前述方案，故從錨定性能角度分析，應(yīng)采取方案5～8為最優(yōu)解。綜合密封性能和錨定性能兩方面，應(yīng)選擇方案5作為最優(yōu)方案，最優(yōu)方案下封隔器錨定力約為22.5kN，較優(yōu)化前提升122.8%。

圖10 不同方案下膠筒摩擦力變化

3 優(yōu)化效果測(cè)試

3．1 下井前密封性能測(cè)試

為驗(yàn)證優(yōu)化后封隔器密封性能是否提升，基于優(yōu)化后結(jié)構(gòu)，首先在大慶采油四廠井下工具密封油浸實(shí)驗(yàn)室開展了封隔器密封性能測(cè)試，該軟件為大慶采油四廠通過外協(xié)研制得來，可完成井下工具打壓坐封及壓力界限測(cè)試等工作。測(cè)試時(shí)首先正向打壓17MPa模擬坐封過程，并選擇4個(gè)壓力點(diǎn)位進(jìn)行穩(wěn)壓測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為5min；然后泄壓并反向打壓至25MPa模擬承載過程，并選擇4個(gè)壓力點(diǎn)位進(jìn)行穩(wěn)壓測(cè)試。測(cè)試時(shí)壓降不超過0.5MPa視為穩(wěn)壓，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用優(yōu)化后的封隔器結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，封隔器坐封過程全程可以正常穩(wěn)壓，當(dāng)完成坐封后測(cè)試密封壓力界限時(shí)，在10MPa、15MPa、20MPa時(shí)均可以正常穩(wěn)壓，而壓力達(dá)到24.5MPa時(shí)封隔器出現(xiàn)泄封現(xiàn)象，證明改進(jìn)后的封隔器結(jié)構(gòu)可密封的壓力約為24.5MPa。

表3 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

3．2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)封測(cè)試

參照SYT 5734-1995標(biāo)準(zhǔn)[11]中要求，選擇試驗(yàn)井對(duì)優(yōu)化前后封隔器結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行下井驗(yàn)封測(cè)試。所選試驗(yàn)井為封上采下管柱，封隔器下入深度約為1000m，其生產(chǎn)時(shí)存在動(dòng)液面較難測(cè)量的缺點(diǎn)，但可以通過環(huán)空打壓測(cè)試封隔器密封性能，故選取此生產(chǎn)井作為封隔器密封能力測(cè)試的試驗(yàn)井。測(cè)試時(shí)驗(yàn)封壓力為25MPa，穩(wěn)壓時(shí)間為5min，打壓循環(huán)4次；穩(wěn)壓過程中觀測(cè)泵壓判定封隔器是否發(fā)生泄封。

3．2．1 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)驗(yàn)封結(jié)果

優(yōu)化前封隔器的驗(yàn)封曲線如圖11所示。由圖可知，優(yōu)化前執(zhí)行油套環(huán)空打壓25MPa并進(jìn)行穩(wěn)壓操作時(shí)，封隔器能密封的壓力無法達(dá)到25MPa，而是僅達(dá)到20MPa；且壓力無法平穩(wěn)保持，迅速降至18MPa左右；當(dāng)重復(fù)打壓穩(wěn)壓過程時(shí)，油套環(huán)空壓力均僅能穩(wěn)壓在18MPa附近，無法保持20MPa峰值。這說明封隔器優(yōu)化前的耐壓極限為18MPa左右，當(dāng)油套環(huán)空壓力超過18MPa后將無法保持并發(fā)生泄漏。

圖11 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)驗(yàn)封結(jié)果

3．2．2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)驗(yàn)封結(jié)果

優(yōu)化后封隔器的驗(yàn)封曲線如圖12所示。由圖示結(jié)果可知，優(yōu)化后封隔器密封壓力峰值達(dá)到24MPa，穩(wěn)壓期間封隔器壓力存在一定波動(dòng)，最低壓力約為23MPa；當(dāng)循環(huán)打壓時(shí)，封隔器穩(wěn)壓峰值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為24.2MPa。上述情況表明，優(yōu)化后封隔器密封能力上限達(dá)到24.2MPa，相較優(yōu)化前結(jié)構(gòu)而言，其封隔器密封能力約提升33.3%。

圖12優(yōu)化后結(jié)構(gòu)驗(yàn)封結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于數(shù)值模擬手段及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)大慶油田采油四廠常用壓縮式封隔器的密封及錨定性能進(jìn)行分析，并基于研究結(jié)論進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)果和結(jié)論。

（1）所用壓縮式封隔器完全坐封后初封壓力約為8.175MPa，坐封后可提供約10.1kN的錨定力；

（2）封隔器在坐封后發(fā)生管柱小范圍滑移時(shí)，封隔器的密封性能不會(huì)受到破壞，但細(xì)分層注水時(shí)易引起封隔器串層；

（3）確定了所使用封隔器膠筒結(jié)構(gòu)和硬度的最優(yōu)方案，最優(yōu)方案下封隔器錨定力約為22.5kN，較優(yōu)化前提升122.8%；

（4）選取試驗(yàn)井驗(yàn)證了封隔器優(yōu)化方案的可行性，優(yōu)化后封隔器密封性能較優(yōu)化前提升33.3%。