陸仁德 栗國浩 程文佳 李越 董社霞 李雙全

摘要：提出的卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計方法涵蓋材料評估與選擇、卡瓦組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、卡瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、卡瓦測試驗證等流程。應(yīng)用該方法設(shè)計了可以控制啟動載荷的上、下籠式卡瓦組件結(jié)構(gòu)。結(jié)合ANSYS有限元分析、樣機測試等方法，對所設(shè)計的籠式卡瓦組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與試驗驗證。對帶有防擠出護(hù)肩的2種膠筒密封組件的試驗研究表明，帶隔環(huán)的三膠筒結(jié)構(gòu)更為優(yōu)異。在此基礎(chǔ)上，研制了高溫高壓液壓坐封永久式封隔器，額定工作壓力68.94 MPa（10 000 psi），額定工作溫度204.4 ℃（400 ℉）。測試結(jié)果表明，所研制的封隔器符合API SPEC 11D1 標(biāo)準(zhǔn)V0級測試要求。

關(guān)鍵詞：封隔器; 籠式卡瓦; 高溫高壓; 三膠筒結(jié)構(gòu); 水平式封隔器測試

中圖分類號：TE925.303? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.012

Abstract：A slip structure design method was proposed， which covered multiple processes such as material evaluation and selection， slip component structure optimization， slip structure optimization， slip test verification， etc. The ANSYS finite element analysis， and sample cycle tests were applied to optimize the design and design verification of the slip components. The research on the two kinds of packer element package with anti-extrusion ring shows that the structure of the triple element package with spacer rings is more magnificent. Based on this research， an HPHT hydraulic permanent packer was designed. The packer has a rated working pressure of 10，000 psi with a rated working temperature of 400 ℉. It was tested with a horizontal HPHT packer test system and the test results show that it complies with the API SPEC 11D1 standard V0 test requirements.

Key words：packer; caged slip; hpht; tripe element package; horizontal packer test

永久式封隔器主要用于油氣井壓裂、完井、酸化、試油等井下作業(yè)工藝中?？ㄍ呤怯谰檬椒飧羝鳂O為關(guān)鍵的部件之一。在封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)及其材料研究方面，國內(nèi)外形成了諸多的研究成果。在封隔器相關(guān)的設(shè)計方法和設(shè)計規(guī)范方面，Ronaldo［1］等人所提出的更為嚴(yán)格和規(guī)范的設(shè)計開發(fā)控制程序是近年來高溫高壓（HPHT）封隔器設(shè)計的新發(fā)展方向；Deng、Peters ［2-3］等人結(jié)合API 17TR8、API 6A、ASME VIII-2 、ASME VIII-3等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求對HPHT封隔器的設(shè)計方法進(jìn)行了研究；Humphreys［4］等人對HPHT封隔器現(xiàn)場失效形式進(jìn)行了研究。

卡瓦結(jié)構(gòu)的研究方法主要有測試試驗［5］、有限元仿真［6-7］、云紋法物理模擬［8］、三維光彈模擬測試［9］，以及這些方法的組合研究。研究內(nèi)容重點是圍繞卡瓦的力學(xué)計算、卡瓦牙角度及結(jié)構(gòu)參數(shù)、卡瓦牙咬入套管深度及對套管的損傷機理和驗證、不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)卡瓦的承載強度、整體式卡瓦斷裂［10-11］過程等方面。應(yīng)用于永久式封隔器的整體式卡瓦的破斷力受材料性能及其熱處理工藝的影響顯著，首處破斷割縫位置及結(jié)構(gòu)對破斷力的影響較大，多次破斷的非連續(xù)和非線性等因素使得整體式卡瓦結(jié)構(gòu)精確控制破斷力成為設(shè)計難題。在籠式卡瓦結(jié)構(gòu)的研究方面，受其非軸對稱結(jié)構(gòu)的影響，采用有限元仿真分析時網(wǎng)格數(shù)量急劇增加，使得仿真收斂難度明顯增大。其仿真的結(jié)果受結(jié)構(gòu)割縫形態(tài)的影響，在縫端部的等效應(yīng)力會超出材料最小屈服強度，需要對其進(jìn)行棘輪分析，以確定塑性變形的影響范圍，在此方面，國內(nèi)外也鮮有研究突破?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)對封隔器卡瓦組件的設(shè)計方法鮮有研究，因此，本文對封隔器卡瓦組件設(shè)計方法的研究具有一定的意義。

此外，在壓縮式封隔器設(shè)計確認(rèn)測試方面，尤其是HPHT封隔器設(shè)計確認(rèn)測試方面，IstreRoyer［12］等人對設(shè)計的V0-H級封隔器以豎直安裝的方式在適用的最大套管內(nèi)徑、最小套管內(nèi)徑內(nèi)進(jìn)行了包含包絡(luò)線測試在內(nèi)的確認(rèn)測試研究，其測試壓力達(dá)到120.6 MPa（17 500 psi）、最高溫度為148.9 ℃（300 ℉）；Royer［13］等人對所研制的HPHT膨脹式懸掛器以水平安裝方式在15.6～190.6 ℃（60～375 ℉）、103.4 MPa（15 000 psi）工況下完成包含壓力反轉(zhuǎn)測試、包絡(luò)線測試等多項API SPEC 11D1 標(biāo)準(zhǔn)V0等級（以下簡稱V0級）確認(rèn)測試，并且提出要想確認(rèn)或者驗證某個封隔器的所有性能和參數(shù)，只基于單次的測試是不充分的，基于用戶的良好使用業(yè)績可以用來彌補V0級設(shè)計確認(rèn)測試無法回答的各項問題。劉輝、張蔚紅、龐東曉、呂芳蕾等人［14-17］研制了高溫高壓封隔器性能試驗裝置，采用的技術(shù)方案均為垂直井筒豎直安裝封隔器的方案。該類試驗裝置無法有效模擬封隔器應(yīng)用于大斜度定向井的實際工況。開展壓縮式封隔器在更為嚴(yán)苛的水平放置工況下的確認(rèn)測試研究，對指導(dǎo)封隔器尤其是高溫高壓封隔器在更為嚴(yán)格工況下的使用具有實際意義。

1 封隔器的主要設(shè)計參數(shù)

本文研究的是一種液壓坐封永久式封隔器。該封隔器適用套管完井的諸多完井工藝，尤其適用于帶有回接插入密封的完井工藝。典型應(yīng)用的完井工藝管柱如圖1所示。封隔器的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案與關(guān)鍵組件設(shè)計方法

為滿足表1的設(shè)計參數(shù)要求，特別是滿足封隔器在高溫高壓環(huán)境下工作的可靠性，封隔器的關(guān)鍵組件——卡瓦組件、密封膠筒組件的設(shè)計是其技術(shù)難點。

2.1 卡瓦組件及籠式卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計

卡瓦坐封后不但要承受管柱重力產(chǎn)生的軸向載荷，還需承受由于封隔器上下環(huán)空壓差、油套管壓差、井口直接作用于油管管柱的力等作用于卡瓦上的軸向載荷。對于高溫高壓封隔器，更高的額定壓力會產(chǎn)生更大的軸向載荷。此外，高溫設(shè)計時還需要考慮高溫下材料的強度降低因子。綜合考慮以上因素，研究提出了如圖2所示的卡瓦優(yōu)化設(shè)計方法（流程）。

1） 材料評估與選擇。

主要考慮不同材料、不同熱處理工藝下材料強度的變化?？紤]材料強度時參照現(xiàn)有行業(yè)和國際標(biāo)準(zhǔn)，并考慮溫度對材料強度的影響。

研究比較了用于封隔器卡瓦的主要滲碳鋼材料，從材料的強度、滲碳淬火后適合空冷回火的工藝角度出發(fā)，優(yōu)選20CrMnTi鋼作為卡瓦的材料。考慮到卡瓦坐封時卡瓦牙吃入套管內(nèi)壁并承受較大的軸向力，采用行業(yè)內(nèi)通用的對卡瓦齒進(jìn)行滲碳淬火的熱處理工藝，熱處理后卡瓦齒面的硬度可達(dá)到58～62 HRC，滲碳層有效厚度不低于0.6 mm，卡瓦心部硬度可達(dá)35～45 HRC。20CrMnTi鋼滲碳淬火后的最小屈服強度為850 MPa，最小抗拉強度為1 080 MPa。結(jié)合已有的設(shè)計經(jīng)驗，取204.4 ℃（400 ℉）時20CrMnTi鋼因溫度變化導(dǎo)致的材料最小屈服強度降低系數(shù)為0.85，可得到20CrMnTi鋼在該溫度下的最小屈服強度為722.5 MPa，最小抗拉強度為918 MPa。

2） 卡瓦組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

主要考慮實現(xiàn)上卡瓦、下卡瓦順序啟動的結(jié)構(gòu)構(gòu)想。影響設(shè)計的關(guān)鍵因素有封隔器適用的最大套管內(nèi)徑、最小套管內(nèi)徑、一定狗腿度下封隔器下入固定件及活動件的安全間隙、卡瓦結(jié)構(gòu)類型、卡瓦坐封的徑向與軸向坐封距離、各組件間安裝間隙及尺寸鏈等。

考慮到所設(shè)計的為永久式封隔器，封隔器整體結(jié)構(gòu)采用密封膠筒上、下雙卡瓦的結(jié)構(gòu)形式，以保障封隔器的可靠懸掛性能。這種結(jié)構(gòu)要求在封隔器膠筒完全坐封前，位于密封膠筒下部的下卡瓦的卡瓦牙不能吃入套管內(nèi)壁，否則自下向上的坐封力不能順利傳遞到密封膠筒組合，影響其完成坐封動作，進(jìn)而使得封隔器密封性能不足，難以承受過高的密封壓差。研究設(shè)計了如圖3所示的籠式下卡瓦組件結(jié)構(gòu)，滿足封隔器密封膠筒坐封完成后才啟動籠式卡瓦的結(jié)構(gòu)需求。

圖3所示的籠式卡瓦組件相比于常規(guī)的分瓣式卡瓦的主要特點是卡瓦牙接近360°分布，極大地增大了卡瓦牙接觸套管內(nèi)壁的接觸面積，可降低卡瓦在承受軸向載荷時對套管作用的應(yīng)力，減少由此對套管產(chǎn)生的損傷。在不超過籠式卡瓦材料許用應(yīng)力的條件下，籠式卡瓦卸載后在彈性力作用下可恢復(fù)坐封前的尺寸及形狀。相比于整體破斷式卡瓦結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)不需要精確控制卡瓦的破斷力，對材料性能以及加工工藝的要求相對較低，可以通過控制剪切裝置的純剪切力來較為精確地控制卡瓦的啟動力。通過優(yōu)化設(shè)計，得到套管內(nèi)徑與籠式卡瓦安裝外徑的間隙為4.0 mm、籠式卡瓦徑向坐封距離為4.8 mm的卡瓦組件方案。

3） 籠式卡瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

主要是優(yōu)化卡瓦接觸錐角、籠式卡瓦割縫數(shù)量、卡瓦厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。借助ANSYS有限元分析軟件，先后通過簡化軸對稱模型、3D等模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，得到籠式卡瓦在設(shè)計工況下的等效應(yīng)力分布，并采用參數(shù)化仿真分析方法優(yōu)化卡瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)計優(yōu)選的籠式卡瓦接觸錐角為20°，單側(cè)割縫數(shù)量為16條。該籠式卡瓦結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況下的等效應(yīng)力及變形如圖4所示。

由圖4知，籠式卡瓦在部分位置的應(yīng)力超過材料的許用強度722.5 MPa，其分布區(qū)域如圖5所示。該區(qū)域位置均集中在割縫的端部附近。參照API? SPEC 11D1－2021中高溫高壓設(shè)計流程圖采用的設(shè)計方法［18］，需要進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)進(jìn)行棘輪分析，判定設(shè)計是否符合ASME Div.2 5.5.7或者Div.3 KD-234的要求，是否發(fā)生擴展式的塑性變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效?？紤]到模型的復(fù)雜性，以及棘輪分析所需要的材料塑性狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)獲取難度，采用實物測試的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計驗證。

4） 籠式卡瓦驗證測試。

對等尺寸籠式卡瓦樣機進(jìn)行試驗，驗證此前的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。對卡瓦樣機進(jìn)行反復(fù)50次坐封過程加載、卸載測試，如圖6所示。通過對測試數(shù)據(jù)分析，得出卡瓦的坐封力、坐封行程與設(shè)計值基本一致，且坐封完成并卸載坐封載荷后卡瓦可恢復(fù)到坐封前尺寸，無明顯塑性變形，符合設(shè)計要求。

2.2 密封膠筒組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

高溫高壓封隔器對密封膠筒組件的要求極為嚴(yán)苛，不但需要承受井下接近額定溫度值的溫度，還需要承受上下環(huán)空在額定壓力壓差下的作用力產(chǎn)生的較高的應(yīng)力，同時還需要承受溫度循環(huán)的顯著影響，對密封材料、密封結(jié)構(gòu)都提出了更大的挑戰(zhàn)。

研究設(shè)計了無隔環(huán)三膠筒（如圖7 a所示）和帶隔環(huán)三膠筒（如圖7 b所示）2種密封膠筒組合方案。2種密封膠筒組合均采用更為可靠密封的三膠筒結(jié)構(gòu)，中膠筒的硬度低于邊膠筒，可適當(dāng)?shù)亟档蛯ψ廨d荷的要求。2種膠筒均采用了聚四氟乙烯支撐環(huán)加雙金屬護(hù)肩的密封結(jié)構(gòu)。通過對2種密封膠筒組件的測試表明，帶隔環(huán)的三膠筒結(jié)構(gòu)的密封性能整體優(yōu)于無隔環(huán)三膠筒結(jié)構(gòu)。無隔環(huán)三膠筒結(jié)構(gòu)在坐封過程中更容易產(chǎn)生不對稱的結(jié)構(gòu)傾斜，使得密封可靠性降低。該結(jié)構(gòu)單側(cè)壓差所有穩(wěn)壓階段未見氣泡，另一側(cè)在溫度循環(huán)測試中出現(xiàn)非連續(xù)氣泡，未能達(dá)到API SPEC 11D1標(biāo)準(zhǔn)V0級測試要求。帶隔環(huán)三膠筒結(jié)構(gòu)在整個V0級測試過程中兩側(cè)壓差的所有穩(wěn)壓階段均未見氣泡冒出，測試結(jié)果符合V0級的要求。

圖8～9分別為無隔環(huán)三膠筒、帶隔環(huán)三膠筒經(jīng)過V0級測試后其密封膠筒組件和AFLAS材質(zhì)膠筒的狀態(tài)，可以看出無隔環(huán)三膠筒結(jié)構(gòu)在68.94 MPa（10 000 psi）、204 ℃的V0級測試后出現(xiàn)明顯傾斜，2種結(jié)構(gòu)的密封膠筒在測試后其金屬護(hù)肩均幾乎完美對稱的與套管內(nèi)壁貼合，這證明與其接觸的聚四氟乙烯支撐環(huán)產(chǎn)生了良好的支撐作用和防擠出效應(yīng)，從而對額定壓力、額定溫度下的AFLAS橡膠材質(zhì)的三膠筒起到了良好的保護(hù)作用。

3 整機試驗測試

3.1 封隔器結(jié)構(gòu)

以設(shè)計的籠式卡瓦組件為基礎(chǔ)，結(jié)合封隔器的設(shè)計經(jīng)驗，研究設(shè)計了滿足表1設(shè)計參數(shù)要求的液壓坐封永久式封隔器，結(jié)構(gòu)如圖10所示。樣機如圖11所示。

3.2 封隔器的設(shè)計確認(rèn)測試

為了驗證該封隔器的綜合性能，使用高溫高壓封隔器測試系統(tǒng)對所研制的封隔器進(jìn)行產(chǎn)品性能包絡(luò)線在內(nèi)的各項測試。測試系統(tǒng)如圖12所示，包含：加溫保溫系統(tǒng)、軸向力加載系統(tǒng)、油管及套管上下環(huán)空加壓系統(tǒng)、氣泡收集裝置等測試子系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)的1個特點是軸向力加載系統(tǒng)為水平部署，可施加不大于1 000 kN的軸向載荷。

封隔器水平安裝工況下性能包絡(luò)線測試方案如圖13所示，實物照片如圖14所示。

設(shè)計確認(rèn)測試流程及接收標(biāo)準(zhǔn)符合API SPEC 11D1 對V0設(shè)計等級的封隔器的各項要求。封隔器通過了壓力反轉(zhuǎn)測試、性能包絡(luò)線測試、溫度循環(huán)測試等在內(nèi)的各項測試，所有測試過程中氣體收集裝置未收集到氣泡，測試結(jié)果符合V0級的零氣泡的接收標(biāo)準(zhǔn)。封隔器性能包絡(luò)線測試結(jié)果如圖15所示。

4 結(jié)論

1） 提出了卡瓦的設(shè)計方法（流程），涵蓋從材料評估、卡瓦組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、卡瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計驗證等設(shè)計要點，并優(yōu)化了籠式卡瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù)。使用以上設(shè)計方法設(shè)計了液壓坐封永久式封隔器，具有可控啟動的籠式卡瓦組件，且具有耐高溫、高壓性能。

2） 研究表明，帶隔環(huán)三膠筒結(jié)構(gòu)較無隔環(huán)三膠筒結(jié)構(gòu)在高溫高壓V0級測試中表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。研制的金屬護(hù)肩結(jié)構(gòu)對PTFE支撐環(huán)起到了良好的保護(hù)作用。

3） 對籠式卡瓦進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析表明，割縫的縫端區(qū)域存在超出材料許用應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)。因為棘輪分析方法的復(fù)雜性，對籠式卡瓦樣機進(jìn)行循環(huán)坐封加載、卸載測試，結(jié)果表明所設(shè)計的籠式卡瓦滿足功能與強度的各項要求。

4） 在更為嚴(yán)苛的水平放置的測試條件下，對所研制的高溫高壓封隔器進(jìn)行了符合API SPEC 11D1 標(biāo)準(zhǔn)V0設(shè)計等級的各項測試，測試結(jié)果表明設(shè)計的封隔器符合技術(shù)要求。

5） 由于高溫高壓水平式封隔器測試系統(tǒng)的軸向載荷限制，此次封隔器性能包絡(luò)線測試的最大軸向力僅測試至1 000 kN，該數(shù)值小于封隔器的性能極限值。后續(xù)可改進(jìn)測試系統(tǒng)，提升相關(guān)的測試能力。

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