孟凡華，張明，張啟龍，劉禹銘，趙克賢，閆偉

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

隨著石油行業(yè)分支井完井技術的快速發(fā)展，國內(nèi)已實現(xiàn)TAML5[1-3]級完井[4-6]，在TAML5級完井分支井眼尾管固井作業(yè)中,由于尾管與上層套管重疊段不能形成有效密封,經(jīng)常會出現(xiàn)異常地層壓力或水泥漿失重產(chǎn)生的高壓油氣水侵入到未完全凝固的水泥漿內(nèi)形成竄流通道,致使油氣井在后期鉆進或生產(chǎn)中井口帶壓影響施工,嚴重的可造成全井報廢甚至發(fā)生安全事故[7-9]。將尾管頂部封隔器技術應用到分支井尾管固井作業(yè)中,可有效阻斷重疊段附近環(huán)空井段的壓力傳遞,阻止環(huán)空氣竄向上部運移,提高固井質量[10-12]。為達到以上目的，針對性的研制了9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器，并進行了相關試驗。

1 技術分析

1.1 設計原則

在設計9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器時，遵循以下設計原則：（1）工具最小內(nèi)徑大于等于172 mm；（2）確保膠筒在120℃下穩(wěn)定工作，不發(fā)生失效；（3）確保下壓27 t，工具能順利坐封；（4）封隔器密封壓力20 684 kPa以上。

1.2 工具結構

9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器主要由回接筒、密封機構、防退機構等組成。具體結構如圖1所示。

圖1 9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器結構示意圖

1.3 工作原理

將該型封隔器下入到設計位置并完成下部懸掛器坐掛、注水泥固井等操作后，在送入鉆具重力的作用下，封隔器的膨脹錐向下楔入到可膨脹金屬骨架內(nèi)，使金屬骨架發(fā)生徑向形變，減小封隔器外徑與上層套管內(nèi)徑之間的間隙，將橡膠層擠壓到上層套管上形成可靠的環(huán)空密封[13-15]。

1.4 主要技術參數(shù)

最大外徑：213 mm。

最小通徑：173 mm。

適用套管外徑：216.8～224.4 mm。

耐溫：150℃。

密封壓力：20 684 kPa。

坐封下壓噸位：27～30 t。

1.5 關鍵技術

將該型封隔器下入到設計位置并完成下部懸掛器坐掛、注水泥固井等操作后，在送入鉆具重力的作用下，封隔器的膨脹錐向下楔入到可膨脹金屬骨架內(nèi)，使金屬骨架發(fā)生徑向形變，減小封隔器外徑與上層套管內(nèi)徑之間的間隙，將橡膠層擠壓到上層套管上形成可靠的環(huán)空密封。

1.5.1 可膨脹技術骨架

9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器利用金屬膨脹技術設計出了膨脹式環(huán)空封隔技術，密封單元采用可膨脹金屬骨架式結構，由膨脹金屬骨架上部硫化橡膠膠筒加工而成。可膨脹金屬骨架外側加工有多個不規(guī)則環(huán)形結構,并在不規(guī)則環(huán)形結構表面硫化了橡膠層,可防止膠筒在承受較大軸向壓差時從金屬骨架脫落[16-17]。如圖2所示，該結構外形尺寸較小,極大地降低了由于高循環(huán)排量引起抽吸作用而造成的封隔器提前坐封,其允許的井下環(huán)空流體循環(huán)排量最高可達2 .7 m3·min-1，降低了封隔器膠筒在入井過程中的機械損壞幾率，極大地提高了封隔器的可靠性。

圖2 膨脹式環(huán)空密封實物圖

1.5.2 防退技術

如圖3所示，該型封隔器的防退機構采用雙面鋸齒卡環(huán)結構，卡環(huán)內(nèi)外表面設計有鋸齒螺紋,內(nèi)部細齒螺紋與本體上的螺紋嚙合,起防止相對位移的作用,外表面粗齒螺紋與膨脹錐套上的螺紋相配合[18]。當封隔器承受軸向壓差而產(chǎn)生回彈趨勢時,膨脹錐套通過螺紋將卡簧壓緊在本體上,提高防退和承壓性能,降低封隔器回彈風險。

圖3 防退機構示意圖

2 工具強度校核

工具設計完成后，對工具關鍵部位進行強度校核，驗證工具在井下實際工況下能否滿足強度要求，本工具在作業(yè)工程中主要受力部件為心軸，井下工況主要為抗拉和抗扭，因此，通過有限元軟件，分別模擬心軸的抗拉和抗扭情況，結合實際作業(yè)工況判斷工具安全性[19-21]。

2.1 有限元模型建立

封隔器心軸選用的材料為42CrMo，其屈服強度為930 MPa。心軸的有限元模型如圖4所示，通過前處理使其生成高質量網(wǎng)格，該模型單元大小為17.242 1，單元總數(shù)為54 411，節(jié)總數(shù)為10 701。

圖4 機械式大通徑尾管封隔器心軸有限元模型

2.2 強度模擬校核

通過有限元方法分別對心軸的抗拉及抗扭強度進行校核，其應力分布情況如圖5所示：拉力為100 t時，最大屈服強度為509.4 MPa；扭矩為40 kN·m時，最大屈服強度為523.1 MPa，抗拉與抗扭強度都滿足要求。

圖5 心軸抗拉與抗扭測試時應力分布情況

3 試驗研究

3.1 膠筒高溫試驗

膠筒高溫試驗主要是驗證皮碗式膠筒在高溫下的密封性能。如圖6所示，將高溫試驗特制工裝與膠筒組合后置于高溫加熱筒中，加熱介質為導熱油，在加熱筒中加熱至125℃；分別升高膠筒封隔區(qū)上部區(qū)間及下部區(qū)間壓力，驗證密封性能。高溫試驗結果見表1，由此可知，在高溫125℃條件下，膠筒橡膠可實現(xiàn)雙向25 MPa高溫密封，密封性能良好。

圖6 試驗工裝及膠筒

表1 試驗數(shù)據(jù)總結

3.2 整機常溫試驗

整機常溫試驗的目的是對組裝完成的9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器進行坐封及驗封試驗。

如圖7所示，利用工裝對封隔器進行坐封，在拉拔試驗臺架上下壓30 t，將封隔器坐封在9-5/8″套管內(nèi)壁。

圖7 封隔器坐封試驗

坐封完成后，進行壓力密封測試，如圖8所示，分別驗證封隔器膠筒封隔區(qū)上部區(qū)間及下部區(qū)間密封壓力。試驗數(shù)據(jù)見表2，結果表明，該封隔器機械坐封簡單，坐封后雙向可實現(xiàn)20 MPa密封，密封性能良好，且膠筒無明顯損傷，如圖9所示。

圖8 封隔器驗封試驗

圖9 試驗完成后的膠筒情況

表2 打壓試驗數(shù)據(jù)

3.3 入井試驗

入井試驗的目的是對組裝完成的9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器進行井下使用進行檢驗。

利用送入工具將封隔器下入到位，投球打壓，送入工具脫手，上提內(nèi)層管柱，下壓坐封工具30 t，封隔器坐封，環(huán)空打壓5 MPa，穩(wěn)壓5 min，封隔器密封效果良好。

4 結論與建議

1）針對TAML5級完井分支井眼下尾管出現(xiàn)的各種問題，設計研發(fā)了一套9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器，旨在解決分支井眼尾管固井問題，保證尾管固井質量。

圖10 準備下入的封隔器

2）利用有限元數(shù)值模擬的方法研究了工具抗拉、抗扭條件下的受力情況，模擬結果表明工具可滿足實際情況作業(yè)時的抗拉和抗扭的強度要求。

3）膠筒高溫試驗和整機坐封驗封試驗表明：9-5/8″套管用機械式大通徑尾管封隔器坐封簡易穩(wěn)定，常溫至120 ℃下可承壓25 MPa。

4）目前工具僅完成1此現(xiàn)場試驗，尚需增加試驗應用井次，并跟蹤使用情況，盡快使該工具推廣應用。