王 龍

(中國石油化工集團(tuán)公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中國石油化工股份有限公司西北油田分公司)

0 引 言

隨著油氣勘探開發(fā)邁向8 000～9 000 m深度領(lǐng)域，儲層地質(zhì)條件更加復(fù)雜，這些復(fù)雜性主要表現(xiàn)在地層溫度與壓力隨井深的增加越來越高，部分井的地層壓力、地層溫度甚至達(dá)到了140 MPa和200 ℃，這表示油氣勘探進(jìn)入超深超高壓超高溫時(shí)代(簡稱三超井)，使完井試油與儲層改造技術(shù)面臨著新的技術(shù)難題[1-3]。其中，原有的測試工具和配套已不能完全滿足勘探評價(jià)工作的需求，必須對原有測試工具和管柱體系進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以提高測試工具和配套工藝的可靠性[4-5]。目前順北油氣田的“三超井”主要采用“五閥一封”測試管柱或“永久封隔器+碳鋼油管”管柱進(jìn)行地層測試作業(yè)。但面臨以下困難：①“五閥一封”測試管柱通徑受加強(qiáng)型RD閥、E型閥、封隔器等的限制，內(nèi)徑只有38 mm，加砂壓裂摩阻大、排量小、易砂堵[6]；②RTTS封隔器耐壓差只有70 MPa，承壓偏低，加砂壓裂泵壓高，封隔器承壓偏大[7-8]；③“永久封隔器+碳鋼油管”管柱，不利于地層資料錄取，測試結(jié)束后需切割油管起出管柱，增加了施工周期和井控風(fēng)險(xiǎn)。筆者針對順北油氣田“三超井”的施工要求，在調(diào)研國內(nèi)外高壓氣井壓裂測試管柱及工藝基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于?139.7 mm(5in)套管的機(jī)械可回收測試封隔器，內(nèi)通徑達(dá)到50 mm，操作方便，性能可靠，易座封、易解封，能夠滿足中等及以上規(guī)模改造需求，可以解決順北油氣田?139.7 mm套管內(nèi)作業(yè)的壓裂測試一體化難題。

1 機(jī)械可回收封隔器的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特性

1.1 封隔器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

?139.7 mm機(jī)械可回收封隔器坐封方式采用機(jī)械坐封，解封方式為上提管柱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其關(guān)鍵部件包括：膠筒、卡瓦、下心軸、上心軸、外筒、水力錨。機(jī)械可回收測試封隔器的主要技術(shù)特點(diǎn)有：①封隔器的承壓件全部采用鎳基高溫合金 Inconel 718 材料，保證了工具在高溫高壓環(huán)境下的強(qiáng)度；②水力錨錨爪由單O形圈密封改為支撐密封加O形圈的密封方式，提高了密封能力[9]；③水力錨錨爪分布由3組6個(gè)錨爪分布增強(qiáng)至6組12個(gè)錨爪(60°間隔分布)[10]；④改進(jìn)的膠筒結(jié)構(gòu)能夠完成105 MPa的密封能力；⑤水力錨錨爪、機(jī)械卡瓦以及摩擦塊上的硬質(zhì)合金塊采用冷鑲工藝，更改以往采用的銀錫焊的工藝，在一定程度上保證了卡瓦錨定的強(qiáng)度和使用壽命；⑥水力錨卡瓦彈簧采用內(nèi)外雙彈簧結(jié)構(gòu)，能更好地保證封隔器在解封過程中水力錨卡瓦的順利回縮。

圖1 機(jī)械可回收封隔器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the mechanically retrievable packer

1.2 工作原理

封隔器隨油管下至預(yù)定設(shè)計(jì)位置，封隔器下井時(shí)摩擦墊塊始終與套管內(nèi)壁緊貼。進(jìn)行坐封時(shí)，先上提鉆桿至一定高度，然后右轉(zhuǎn)油管，并下放管柱，機(jī)械卡瓦沿導(dǎo)向槽向外伸張，咬緊套管內(nèi)壁，同時(shí)擠壓和壓縮膠筒，完成管柱的坐封。當(dāng)油管內(nèi)壓力大于封隔器以上環(huán)空壓力時(shí)，下部壓力將通過容積管傳到水力錨，使水力錨卡瓦片張開，卡瓦上的合金卡瓦牙朝上，從而使封隔器牢固地坐封在套管內(nèi)壁上，阻止管柱上竄。施工結(jié)束停泵后，液力錨定卡瓦在彈簧回收力的作用下收回殼體內(nèi)，需要進(jìn)行解封時(shí)，先打開循環(huán)洗井閥，使油套平衡，然后上提管柱，膠筒回彈，機(jī)械坐封卡瓦沿卡瓦滑套槽收回合攏，繼續(xù)上提進(jìn)而解封整個(gè)管柱[11]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

?139.7 mm機(jī)械可回收封隔器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)械可回收封隔器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the mechanically retrievable packer

2 關(guān)鍵零部件性能仿真分析

2.1 密封機(jī)構(gòu)數(shù)值仿真分析

本文所研究的機(jī)械可回收測試封隔器適用對象為?139.7 mm套管，工具的外徑和內(nèi)徑尺寸見表1。由于封隔器密封機(jī)構(gòu)的中間膠筒、側(cè)膠筒、護(hù)肩、以及套管等部件均為軸對稱零件，所以本文建立二維軸對稱的密封機(jī)構(gòu)數(shù)值仿真分析模型，如圖2所示。膠筒模型采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格算法采用中性軸算法，同時(shí)采用雜交公式和縮減積分開展膠筒大變形分析[12]；在密封機(jī)構(gòu)的仿真模型中分別設(shè)定3類接觸方式：橡膠-橡膠接觸、橡膠-金屬接觸以及金屬-金屬接觸，并分別設(shè)定其配合關(guān)系；密封機(jī)構(gòu)所受外部載荷為管柱下壓力對應(yīng)的軸向載荷F，并進(jìn)行100～300 kN條件下的密封機(jī)構(gòu)受力仿真分析。

圖2 密封機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.2 Simulation model of the sealing mechanism

密封機(jī)構(gòu)變形過程仿真結(jié)果如圖3所示，由圖3可知：當(dāng)通徑規(guī)上端面施加軸向坐封載荷F后，護(hù)肩沿軸向向下滑動(dòng)，隨著軸向載荷的不斷增加，膠筒護(hù)肩開始向外擴(kuò)張；當(dāng)護(hù)肩與套管接觸后，護(hù)肩開始依次擠壓上側(cè)膠筒、中間膠筒以及下側(cè)膠筒；隨著軸向載荷的進(jìn)一步加大，中間膠筒與套管接觸后，上、下側(cè)膠筒和中間膠筒進(jìn)一步被壓縮并依次向外膨脹，最終所有膠筒全部與套管接觸，實(shí)現(xiàn)了完全密封套管環(huán)空的目的[13-14]。

圖3 密封機(jī)構(gòu)變形過程仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of the deformation process of the sealing mechanism

膠筒軸向壓縮距與密封機(jī)構(gòu)所承受的軸向坐封載荷之間的變化關(guān)系如圖4所示。在初始階段，隨著坐封載荷的逐漸增大，軸向壓縮距迅速增大；當(dāng)坐封載荷超過50 kN以后，軸向壓縮距增大趨勢變的很緩慢，穩(wěn)定在80 mm左右；當(dāng)坐封載荷達(dá)到300 kN時(shí)，膠筒的軸向壓縮距為81.3 mm。膠筒與套管的最大接觸應(yīng)力與坐封載荷之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，最大接觸應(yīng)力隨坐封載荷的增加而逐漸增大，兩者之間近似于線性變化關(guān)系，其中膠筒與套管最大接觸應(yīng)力為136.98 MPa，對應(yīng)坐封載荷為300 kN。當(dāng)坐封載荷F達(dá)到300 kN時(shí)，膠筒與套管的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。仿真分析結(jié)果表明：密封機(jī)構(gòu)中膠筒心軸的Mises應(yīng)力最大，最大值為573.5 MPa，尚未達(dá)到膠筒心軸材料(42CrMo)的屈服強(qiáng)度，說明密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠。

圖4 坐封載荷對壓縮距和應(yīng)力的影響Fig.4 Effects of setting load on compression distance and stress

圖5 膠筒與套管應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of rubber sleeve and casing

2.2 卡瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值仿真優(yōu)化分析

卡瓦是機(jī)械可回收測試封隔器錨定過程中傳遞載荷、承擔(dān)載荷的主要構(gòu)件，起到支撐封隔器、鎖定膠筒的作用。卡瓦三維模型如圖6所示。在坐封時(shí)卡瓦滑套(42CrMo)向下滑動(dòng)，推動(dòng)卡瓦體(42CrMo)向外撐開與套管貼合，隨著壓力不斷增加，機(jī)械卡瓦上的硬質(zhì)合金塊(YG15)進(jìn)一步嵌入套管，從而能夠提供足夠的軸向支撐力，起到錨定作用[10]。

圖6 坐封卡瓦的三維模型Fig.6 Three-dimensional model of the slip

圖7 卡瓦有限元網(wǎng)格模型Fig.7 Finite element mesh model of the slip

通過仿真結(jié)果(見圖8)可知：釋放懸重達(dá)到150 kN時(shí)，套管最大應(yīng)力為916.8 MPa，小于套管屈服強(qiáng)度965.5 MPa，未發(fā)生塑性變形；在硬質(zhì)合金塊安裝槽處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，且最大壓應(yīng)力為1 446 MPa，大于材料屈服強(qiáng)度822.38 MPa，同時(shí)各齒受力不均，咬入深度不同，存在較大差異，如圖9中紅色曲線所示。

圖8 卡瓦體和套管的應(yīng)力-位移云圖(優(yōu)化前)Fig.8 Stress-displacement nephogram of slip and casing (before optimization)

圖9 優(yōu)化前后各齒咬入深度分布Fig.9 Distribution of bite depth of teeth before and after optimization

圖10 卡瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.10 Structural parameters of the slip

根據(jù)機(jī)械可回收封隔器卡瓦的設(shè)計(jì)要求，需要對機(jī)械可回收封隔器卡瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，本文選擇對卡瓦性能有顯著影響的合金塊安裝間距l(xiāng)(因素A)、合金塊安裝傾角α(因素B)、合金塊直徑d(因素C)和卡瓦楔角γ(因素D)4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，其參數(shù)如圖10所示。根據(jù)正交試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)了四因素三水平正交試驗(yàn)方案L9(34)，試驗(yàn)參數(shù)見表2，探索4個(gè)試驗(yàn)因素對機(jī)械可回收封隔器卡瓦性能的影響規(guī)律。

表2 正交試驗(yàn)方案Table 2 Scheme of the orthogonal test

對9種不同方案的卡瓦在150 kN載荷條件下進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果見表3。其中以卡瓦各齒咬入套管深度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差作為各齒咬入深度均勻性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the orthogonal test

通過正交試驗(yàn)分析，得到卡瓦最優(yōu)組合參數(shù)為：合金塊安裝間距l(xiāng)=21.5 mm、合金塊安裝傾角α=75°、合金塊直徑D=11 mm、卡瓦楔角γ=8°。由圖11可知，卡瓦最大應(yīng)力由1 446 MPa下降為752.1 MPa，下降百分比為47.99%，應(yīng)力集中現(xiàn)象大大減弱。優(yōu)化后的卡瓦和套管的應(yīng)力-位移云圖如圖11所示。對比圖8可知，優(yōu)化前各齒咬入套管形成的咬痕深度分布不均，套管上方咬痕深度大，而套管下方咬痕深度明顯降低；優(yōu)化后各齒咬痕形狀以及咬入深度基本一致，卡瓦各齒咬入深度均勻性標(biāo)準(zhǔn)差由0.001 78下降為0.000 73，同比下降59.22%。

圖11 卡瓦體和套管的應(yīng)力-位移云圖(優(yōu)化后)Fig.11 Stress-displacement nephogram of slip and casing(after optimization)

3 室內(nèi)試驗(yàn)

機(jī)械可回收測試封隔器的室內(nèi)試驗(yàn)研究是該工具研制工作的重要環(huán)節(jié)，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，能比較直觀且徹底地暴露理論研究中的問題，從而迅速方便地解決矛盾[15]。本試驗(yàn)在中石化江漢石油工程有限公司巴州塔里木測試分公司高溫高壓井下工具檢測中心的3#高溫高壓試驗(yàn)井筒進(jìn)行，如圖12所示。試驗(yàn)設(shè)備包括中央控制系統(tǒng)、加熱保溫系統(tǒng)、試驗(yàn)井筒系統(tǒng)、超高壓液體試驗(yàn)系統(tǒng)、低壓壓縮空氣系統(tǒng)、力加載試驗(yàn)系統(tǒng)、安全防護(hù)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。試驗(yàn)工具管串由動(dòng)密封桿+變扣接頭+雙短節(jié)+變扣接頭+?139.7 mm機(jī)械可回收封隔器組成。在地面完成機(jī)械可回收封隔器的通徑測試和整體密封試驗(yàn)后，將試驗(yàn)工具管串下入試驗(yàn)井筒，通過轉(zhuǎn)接桿將動(dòng)密封桿連接至力加載試驗(yàn)機(jī)上面，于2022年5月依次開展了封隔器坐封試驗(yàn)、額定壓差測試、絕對壓力測試、封隔器解封試驗(yàn)[16]。

圖12 機(jī)械可回收封隔器的室內(nèi)試驗(yàn)Fig.12 Laboratory tests of the mechanically retrievable packer

坐封試驗(yàn)步驟：①啟動(dòng)升溫，啟動(dòng)加熱保溫系統(tǒng)，整井筒加熱至≥120 ℃，保溫≥1 h；②繼續(xù)升溫，系統(tǒng)加熱至≥204 ℃，保溫≥2 h；③上提封隔器300 mm，正轉(zhuǎn)1圈；④對封隔器上腔、中心腔加壓≥80 MPa(設(shè)置為穩(wěn)壓)，記錄工具串懸重并將其作為初始載荷，然后在初始載荷的基礎(chǔ)上增加135～165 kN(150 kN±10%)坐封封隔器；保持溫度≥204 ℃，將上腔、中心腔泄壓至≤0.5 MPa。在坐封載荷下封隔器沒有出現(xiàn)下滑和轉(zhuǎn)動(dòng)，說明坐封試驗(yàn)成功。

額定壓差測試：①系統(tǒng)降溫至≤120.0 ℃，保溫≥4 h(降溫過程中溫度設(shè)定值為115 ℃，保持在115～120 ℃區(qū)間)；②上壓腔分級加壓至≥110.0 MPa，加壓載荷控制參考表4(最終載荷可根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整)，中心腔壓力≤0.5 MPa，壓差≥110.0 MPa，保溫保壓≥15 min。③上壓腔分級泄壓至≤0.5 MPa，中心腔分級加壓至≥110.0 MPa(不操作載荷)，壓差≥110.0 MPa，保溫保壓≥15 min，最后將中心壓力泄至≤0.5 MPa(額定壓差試驗(yàn)操作期間，下壓腔不泄壓且背壓≥70.0 MPa)。在測試過程中15 min壓降≤1%，說明機(jī)械可回收封隔器的額定壓差測試合格。

表4 ?139.7 mm機(jī)械可回收封隔器加壓控載表Table 4 Pressure control meter for the 139.7-mm mechanically retrievable packer

絕對壓力測試：①系統(tǒng)加熱至≥204 ℃，保溫≥2 h；②驗(yàn)證坐封載荷(135～165 kN)后進(jìn)行以下步驟，中心腔分級加壓至≥80 MPa，上壓腔分級加壓至≥80 MPa，保溫保壓≥8 h；③中心腔分級加壓至≥160 MPa，上壓腔分級加壓至≥160 MPa，保溫保壓≥1 h。在測試過程中15 min壓降≤1%，說明機(jī)械可回收封隔器的絕對壓力測試合格。

解封試驗(yàn)：①溫度≥204 ℃，三腔壓力分級泄壓至≤0.5 MPa，上提測試管柱解封封隔器；②當(dāng)系統(tǒng)降溫至≤60 ℃，起出工具，順利完成解封。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值仿真分析結(jié)果表明：在300 kN的坐封載荷下機(jī)械可回收封隔器的所有膠筒全部與套管接觸，實(shí)現(xiàn)了完全密封套管環(huán)空的目的，密封機(jī)構(gòu)中膠筒心軸的應(yīng)力最大，尚未達(dá)到該材料的屈服強(qiáng)度，說明密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠。

(2)由于封隔器卡瓦各齒受力不均，咬入深度不同，本文對卡瓦性能有顯著影響的4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，對卡瓦參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到最優(yōu)組合參數(shù)為：合金塊安裝間距l(xiāng)=21.5 mm、合金塊安裝傾角α=75°、合金塊直徑D=11 mm、卡瓦楔角γ=8°。優(yōu)化后的卡瓦最大應(yīng)力下降百分比為47.99%，應(yīng)力集中現(xiàn)象大大減弱。

(3)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：?139.7 mm機(jī)械可回收封隔器能夠在135～165 kN的載荷下完成坐封，并能夠順利解封，同時(shí)能夠承受204 ℃以上的高溫、110 MPa的額定壓差及160 MPa的絕對壓力，設(shè)計(jì)性能滿足順北油氣田“三超井”的施工要求。