劉洋,練章華,何勇，杜鋒輝，匡生平

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 610500；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000)

0 前言

塔里木油田氣藏主要集中在天山南坡山前條帶狀構(gòu)造上，是世界上少有的超高壓氣藏富集區(qū)域，其儲層埋藏最深可達7 800 m，地層壓力高達150 MPa，井口關(guān)井壓力高達115 MPa，地層溫度最高可達180 ℃，井口溫度最高110 ℃，所產(chǎn)天然氣中CO平均體積分?jǐn)?shù)為0.97%，且地層水中氯離子含量較高。山前氣井屬超高壓、超深氣井，且部分氣井為高溫、超高壓、超深氣井，井口安全條件苛刻，相繼出現(xiàn)了一些井口安全事件，造成了巨大的經(jīng)濟損失。為了減少井口套管懸掛器密封失效事故，近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對套管懸掛器金屬密封結(jié)構(gòu)作了大量研究。曹傳文、于成水等針對石油鉆井工程中套管柱井口裝定載荷的設(shè)定和控制方法存在的缺陷，對套管柱受力情況進行了分析，認(rèn)為在固井水泥漿候凝期間，井下套管柱所受外力存在不確定性，不能據(jù)此計算井口裝定載荷，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)亦存在缺陷。油氣開發(fā)趨勢決定井深越來越深、壓力越來越高，對套管頭懸掛器結(jié)構(gòu)強度提出了更高的要求，懸掛器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接影響套管頭作業(yè)安全。在下放套管過程中，一旦現(xiàn)場發(fā)生井壁坍塌等情況，而此時芯軸懸掛器又沒有坐掛到位，就需要將芯軸懸掛器立即更換為卡瓦懸掛器，這導(dǎo)致鉆井周期因等待時間而延長。因此需要研制新型的金屬密封懸掛器，減少失效風(fēng)險和保證較高的鉆進效率。李振濤、肖力彤、申玉壯等研究了Cameron 公司的 MEC油管掛密封裝置，通過外載荷作用激發(fā)金屬密封件膨脹變形來實現(xiàn)接觸面間的密封,并完成了105 MPa芯軸式套管懸掛器主要零部件材料力學(xué)性能試驗，獲得了這些結(jié)構(gòu)件材料的力學(xué)性能參數(shù)，這些研究結(jié)論可用于新型懸掛器密封結(jié)構(gòu)材料選型的指導(dǎo)。秦浩智、魏凱、雒曉康等分析了典型的水下井口頭裝置主要采用金屬與橡膠結(jié)合方式來完成環(huán)空密封功能，研究還發(fā)現(xiàn)鉆井過程中井口裝置長期受到壓力波動影響，加速了壓力控制元件中橡膠密封結(jié)構(gòu)老化失效的風(fēng)險，不便于長期在水下進行作業(yè)。王永洪等介紹了金屬密封結(jié)構(gòu)作為井口裝置重要應(yīng)用，會保護井口裝置在高溫高壓、高腐蝕性的惡劣環(huán)境中的長期安全使用，因此加大對井口裝置金屬密封材料耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的研究力度。

目前，從國內(nèi)外調(diào)研資料發(fā)現(xiàn)，對大直徑和重載荷套管、高強度套管，卡瓦懸掛套管密封性受套管外徑公差、橢圓度、卡瓦擠壓套管變形、打滑、卡瓦咬合處套管抗拉強度降低等諸多方面影響。因此本文作者開發(fā)一種新型芯軸式懸掛器，該懸掛器在井口安全方面具有顯著的優(yōu)越性，可有效解決勘探開發(fā)生產(chǎn)后期中環(huán)空帶壓帶來的屏障風(fēng)險問題，并能夠防止井口安全事故的發(fā)生。

1 卡瓦懸掛器密封結(jié)構(gòu)失效案例

塔里木庫車山前超高壓氣井已發(fā)生30余井次BT(橡膠密封圈)或套管懸掛器卡瓦密封失效，給油田造成了巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患。套管坐掛后對密封部位試壓合格，完井時再次試壓作業(yè)，無法起壓，判斷套管懸掛器密封失效，螺釘出現(xiàn)不同程度松動，見圖1。為了更直觀分析，將卡瓦密封組件單獨取出進行分析(見圖2)，卡瓦密封組件主要含有內(nèi)外密封圈和卡瓦牙結(jié)構(gòu)。

圖1 卡瓦結(jié)構(gòu)示意及橡膠失效照片

圖2 卡瓦式懸掛器三維實體及膠圈照片

卡瓦組件裝配完成后，坐放在井口四通臺階部位，卡瓦牙對套管進行懸掛固定，卡瓦牙對套管有周向和縱向作用力，套管在卡瓦牙作用力下，會產(chǎn)生卡瓦壓痕，現(xiàn)場咬痕見圖3。這將引起套管局部發(fā)生較大的變形和應(yīng)力集中，最后必然影響套管的強度。

圖3 卡瓦懸掛器裝配圖及套管咬痕照片

2 卡瓦懸掛器密封結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究

2.1 卡瓦懸掛器密封結(jié)構(gòu)力學(xué)研究

根據(jù)圖2所示的卡瓦密封結(jié)構(gòu)實際尺寸，建立幾何分析模型，包括卡瓦座、四通、卡瓦底座、內(nèi)外橡膠圈?？ㄍ呤教坠軕覓炱鲗嶓w結(jié)構(gòu)如圖4所示，卡瓦材料為20CrMnTi，屈服強度835 MPa，抗拉強度1 080 MPa；卡瓦座材料為35CrMo，屈服強度835 MPa，抗拉強度980 MPa。這幾種材料的彈性模量為2.1×10MPa，泊松比為0.3。矩形橡膠密封圈采用Mooney-Rivilin橡膠本構(gòu)模型。在分析中，載荷與邊界條件：在整個分析過程中，懸掛器四通和套管底部為全約束；在卡瓦座上端面施加(5～40)×10N壓力載荷，如圖4所示。

圖4 密封結(jié)構(gòu)裝配及載荷與邊界條件

2.2 卡瓦密封結(jié)構(gòu)計算結(jié)果分析

通過施加下部套管懸重載荷，分析卡瓦密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。在不同懸重載荷作用下的密封結(jié)構(gòu)各零部件von Mises 應(yīng)力分布見圖5?？梢钥闯觯涸谔坠軕抑貫?～4 MN時，各零部件最大應(yīng)力在299.9～889.7 MPa之間變化；隨著上部卡瓦座上的載荷增加，下部支撐環(huán)受到的應(yīng)力變化不大，主要是套管內(nèi)壁和卡瓦座與套管外壁接觸部位受到的應(yīng)力增大比較明顯；隨著壓力增加，變形也逐漸增大，在套管懸重為2～4 MN時，橡膠密封圈發(fā)生較大的變形，接觸面也相應(yīng)增大，最后貼緊在芯軸與四通密封面，有效完成密封。

圖5 不同壓力作用下的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

從圖6得到：在套管懸重為(5～40)×10N時，橡膠圈最大應(yīng)力在0.15～14.84 MPa之間變化，橡膠圈上端面受壓位置應(yīng)力較大，橡膠圈上部中心部位應(yīng)力較小；當(dāng)套管懸重為3 MN時，橡膠圈最大應(yīng)力達到14.84 MPa；在套管懸重為4 MN時，橡膠圈整體被壓縮，橡膠圈上部已經(jīng)發(fā)生較大變形。從圖7得到：在套管懸重為(5～40)×10N時，橡膠圈最大應(yīng)力在0.14～14.75 MPa之間變化，橡膠圈上端面受壓位置應(yīng)力較大，橡膠圈上部中心部位應(yīng)力較小；當(dāng)套管懸重為3 MN時，橡膠圈最大應(yīng)力達到14.75 MPa；在套管懸重為4 MN時，橡膠圈整體被壓縮，橡膠圈上部已經(jīng)發(fā)生較大變形。

圖6 不同壓力作用下的外橡膠圈應(yīng)力云圖

圖7 不同壓力作用下的內(nèi)橡膠圈應(yīng)力云圖

根據(jù)接觸壓力分析結(jié)果，選取內(nèi)外橡膠密封結(jié)構(gòu)外表面接觸面上的路徑，見圖6—圖7；根據(jù)接觸壓力數(shù)據(jù)，編輯接觸路徑上節(jié)點接觸壓力變化曲線，見圖8、圖9。

從圖8、圖9得到：當(dāng)上部施加載荷一定，套管懸重在(5～40)×10N之間變化時，內(nèi)橡膠圈接觸壓力在50～200 MPa之間變化，外橡膠圈接觸壓力在120～240 MPa之間變化，平均接觸壓力基本達到最小密封比壓的要求；隨著載荷增加，接觸壓力也逐漸增大，曲線呈現(xiàn)波浪線變化，有些地方呈現(xiàn)鋸齒狀突變，會使橡膠產(chǎn)生較嚴(yán)重的變形。

圖8 內(nèi)橡膠圈接觸壓力變化曲線

圖9 外橡膠圈接觸壓力變化曲線

3 金屬密封芯軸懸掛器設(shè)計及試驗研究

3.1 金屬密封芯軸懸掛器設(shè)計分析

通過對卡瓦懸掛器密封結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，分析了其失效原因。為了克服卡瓦懸掛器的缺點，提高鉆井周期，本文作者設(shè)計了一種8 1/8″型芯軸式懸掛器，其主要結(jié)構(gòu)包括上、下部密封結(jié)構(gòu)，見圖10。后續(xù)對該芯軸式懸掛器開展了壓力承載試驗和氣密封試驗，以期在懸重狀態(tài)下檢測140 MPa套管懸掛器的密封情況。

圖10 新型密封芯軸式懸掛器

3.2 金屬密封芯軸懸掛器實驗裝置及實驗數(shù)據(jù)分析

試驗引用標(biāo)準(zhǔn)包括：API Spec 6A 20版 井口裝置和采油樹設(shè)備，井口裝置和采油樹，GB/T 22514—2013 石油天然氣工業(yè)，鉆井和采油設(shè)備規(guī)范，API SPEC 5CT 套管和油管，NACE MRO175 油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力開裂的金屬材料，API SPEC 682 機械密封，ISO 9001 設(shè)計、制造、安裝和服務(wù)的質(zhì)量體系，API SPEC QI 第9版。該測試實驗在四川科特工業(yè)井控裝置安全監(jiān)督測評中心完成。密封性能測試裝置的試壓工裝主要有套管頭四通、套管懸掛器組件、壓機接頭、百分表、安裝232.5P型密封圈雙栽絲法蘭。44-70X36-70連接法蘭1件、232.5P型密封圈雙栽絲法蘭1件、金屬密封組件、壓機試壓裝置、懸掛器試樣零件組裝見圖11。

圖11 懸掛器組裝示意圖(a)及實驗現(xiàn)場安裝圖(b)

試壓過程中采用氣動試壓泵，試壓泵及壓力表量程0～160 MPa，試壓泵上的壓力表應(yīng)至少具有量程0.5%的精度，測量壓力值應(yīng)在壓力表量程25%～75%范圍內(nèi)。壓力測量儀表應(yīng)在有效鑒定期內(nèi)。試壓泵連接線、接頭等附件應(yīng)安全可靠，壓力進口位置見圖12所示。圖12中：為壓機下壓力，和分別為環(huán)空面積，為試壓壓力(為水壓)。表1為懸掛器試壓加載噸位相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 懸掛器密封試驗加載

圖12 試壓示意圖

通過對環(huán)空壓力換算，得到當(dāng)環(huán)空壓力=112 MPa，轉(zhuǎn)化為芯軸上壓力：=2.160 7 MN，當(dāng)環(huán)空壓力為=121 MPa，轉(zhuǎn)化為芯軸上壓力：=2.315 1 MN。

試壓完成后清理密封脂，檢查芯軸四通內(nèi)外密封面， 橡膠密封件存在撕裂和損傷，并測量芯軸下端長度的變化，以及套管四通臺階面的高度變化，金屬密封組件的高度變化，見圖13，測量結(jié)果見表2。

圖13 試壓后各零部件尺寸測量

表2 試壓前后各零部件尺寸變化

改變試壓壓力，觀測壓力機操作平臺位移和百分表讀數(shù)變化。圖14所示為第一次和第二次試壓后百分表和操作臺的數(shù)據(jù)變化曲線。

圖14 試壓兩次后百分表和操作臺的數(shù)據(jù)變化曲線

通過計算得變形量：下行變形量0.42 mm，四通兩個臺階在120 MPa壓力作用下壓機下行了1.3 mm，當(dāng)卸載后，壓機回彈0.9 mm，因此變形量為0.4 mm左右；金屬組件壓力作用前為115.7 mm，壓力作用后為112.64 mm，被壓縮了3.06 mm，金屬圈由62 mm變?yōu)?1.76 mm，變化了0.24 mm左右。

3.3 金屬密封芯軸懸掛器現(xiàn)場應(yīng)用

室內(nèi)試驗完成后，將該型金屬密封芯軸式懸掛器在塔里木博孜某井進行了現(xiàn)場安裝，見圖15。測量了需要安裝的四通高度和內(nèi)外徑以及轉(zhuǎn)換法蘭的尺寸，并檢查現(xiàn)場裝運的懸掛器及密封件，送入套管與芯軸式懸掛器直接連接的，坐掛后切割套管安裝套管頭四通(油管頭)的，送入套管應(yīng)按規(guī)定扭矩緊扣。送入套管與芯軸式懸掛器之間有取送工具的，應(yīng)按生產(chǎn)廠家的技術(shù)要求緊扣，保證送入工具能正常取出，最后完成了現(xiàn)場試壓。

圖15 金屬密封懸掛器現(xiàn)場安裝照片

4 結(jié)論

通過對卡瓦懸掛器密封結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，分析其失效原因。為了克服卡瓦懸掛器的缺點，提高鉆井周期，本文作者設(shè)計一種新型芯軸式懸掛器，并進行了壓力和承載實驗，得到以下幾點結(jié)論：

(1)卡瓦牙存在應(yīng)力集中，卡瓦的斜壁面應(yīng)力水平相對于應(yīng)力集中區(qū)較低。套管在卡瓦作用力下，會產(chǎn)生卡瓦壓痕，引起套管局部發(fā)生較大的變形和應(yīng)力集中，最后必然影響套管的強度。

(2)建立卡瓦懸掛器密封結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析內(nèi)外橡膠結(jié)構(gòu)的密封性能，分析表明當(dāng)套管懸重為3～4 MN時，橡膠圈最大應(yīng)力達到14.75～14.84 MPa，內(nèi)外橡膠圈整體被壓縮，橡膠圈上部已經(jīng)發(fā)生較大變形，表明卡瓦懸掛器中的橡膠結(jié)構(gòu)不利于承載較大的載荷。

(3)經(jīng)過試驗前后拆卸對比，懸掛器和四通的變形在安全范圍內(nèi)。

(4)球形密封鋼圈受壓后產(chǎn)生變形為平面狀，密封寬度較大，表明密封性能良好。

(5)試壓過程中，隨著載荷的增加，試驗臺儀表和百分表的位移量變化較小，因此，試壓測試表明，該新型懸掛器可以承受140 MPa的高壓壓力作用。最后在現(xiàn)場得到應(yīng)用，效果良好。