无骨架内衬扩张式封隔器的研制与现场试验

为解决常规钢丝帘线或重叠钢片式扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱的问题,通过设计无骨架内衬扩张式胶筒,研制了无骨架内衬扩张式封隔器。该封隔器采用两端嵌套弹簧的方式来提高胶筒多次坐封的可靠性,在工作压差2.5~5.0 MPa下,胶筒可以充分胀封并可靠密封。室内试验表明,无骨架内衬扩张式封隔器在150℃下可以反复坐封/解封50次,双向承压85 MPa,解封后胶筒残余变形率小于1.5%。该封隔器在延长油田2口老井重复复压裂施工中进行了试验,其坐封显示明显,且在井内工作50 h多后,顺利解封,封隔器胶筒完好,外径仅由108 mm扩大至109 mm。研究结果表明,无骨架内衬扩张式封隔器封隔能力强,能重复坐封、解封,比常规扩张封隔器胶筒残余变形小,更易于解封起出管柱。      

扩张式封隔器胶筒力学性能分析

为了适应海上油田大排量反洗井的要求,开发了液控扩张式封隔器可洗井分注技术。对扩张式封隔器胶筒材料进行了力学性能测试,并系统地进行了封隔器胶筒结构有限元分析技术的研究。研究结果表明,封隔器胶筒橡胶的应力-应变呈非线性关系,随着温度的升高,橡胶材料强度会变弱,在温度为65℃时橡胶材料强度达到最低,继续升高温度,橡胶材料强度又会增加;当封隔器处于内压20.0 MPa工作状态时,上、下胶筒座的应力水平最高,最大Mises应力为413.2 MPa;在胶筒中,外层胶筒两端应力水平最高,可达46.4 MPa,胶筒两侧应变能密度最大;封隔器处于工作状态时,其肩部变形最大,伴随着压力的增加,变形的趋势减缓,应变能密度与工作压力基本呈直线关系。所得结果可为扩张式封隔器的结构设计提供理论依据。     

水力扩张式封隔器胶筒力学性能有限元分析

水力扩张式封隔器主要应用于水力喷射压裂作业,而胶筒的性能影响作业的成败。以最常用的K344水力扩张式封隔器为研究对象,运用Pro E和ANSYS Workbench软件建立K344封隔器胶筒三维有限元模型,对封隔器胶筒进行应力分析,得到封隔器胶筒Von Mises应力和接触应力云图。有限元分析结果表明,随着喷射压裂的进行,压裂液流经封隔器,封隔器胶筒温度降低,胶筒应力增加。当温度低于90℃时,应力反而降低;当温度低于70℃时,胶筒应力又逐渐增加。在内压作用下,封隔器胶筒的接触应力由胶筒两端向中间逐渐增加。不同参数封隔器胶筒有限元分析结果表明,影响封隔器胶筒最大应力变化的主要几何因素是胶筒外径和套管内径,胶筒的应力与胶筒外径负相关,与套管内径正相关。内压越大,封隔器胶筒的应力越大;起初,内压增加,胶筒应力迅速增加,当内压大于10.52 MPa后,胶筒应力增速趋缓。     

锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素

锦纶帘线封隔器胶筒适用于井眼小、井壁不规则、地层压力大的裸眼井况,但是也存在着承压性能低、密封性能差等不足。为了提高锦纶帘线胶筒的工作性能,通过拉伸试验和Gough-Tangorra理论获得橡胶和帘线的材料参数,建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,并结合室内试验验证仿真模型的准确性;进而研究不同坐封压力下锦纶帘线胶筒应力和接触应力变化规律,系统地分析了帘线角度、帘线层数和帘线间距对胶筒承压性能和密封性能的影响。研究结果表明:①试验测得锦纶帘线胶筒最大坐封压力为70MPa,最大工作压力为50 MPa,残余变形为3.2%;②基于REFINE 265单元建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,仿真结果与试验结果误差小于15%,可以满足工程分析的需求;③随着帘线角度从14°增加至20°,帘线应力线性增大,橡胶应力和接触应力小幅度降低;④随着帘线层数从2层增加至8层,橡胶应力和接触应力显著下降,帘线应力加速下降,最高下降幅度达到64%;⑤随着帘线间距从1.4 mm增加至2 mm,橡胶应力和帘线应力同步增大,接触应力降低。结论认为,该研究成果为提高锦纶帘线胶筒的工作性能提供了理论依据。     

带金属护肩封隔器的密封特性研究

针对胶筒肩部突出引起封隔器失效的问题,基于封隔器坐封过程,并考虑高温高压对封隔器密封性能的影响,建立了密封组件非线性接触模型,研究了带金属护肩封隔器的密封特性。研究结果表明,常用封隔器坐封过程中,封隔器胶筒表现出较强的肩部突出特性;胶筒肩部突出随坐封力增大而愈加严重,高温高压加剧肩部突出;阶梯坐封力从初始15 MPa增到38 MPa而最终坐封,随温度上升,左端与中间胶筒的接触压力都随坐封载荷的增大而增加,胶筒的密封性能在井温150℃时达到最优;井下温度30℃时压缩距离最大,随着温度升高,压缩距离逐渐变小但差别较小。     

大斜度井可洗井注水封隔器的研制与应用

针对常规封隔器在大斜度井上应用存在密封效果差及反洗井后活塞关闭不严等问题,研制了大斜度井Y341可洗井高效注水封隔器。该封隔器胶筒肩部设计了防突机构,可限制胶筒朝油套环空"突出"或"流动";反洗关闭胶座采用钢丝簧和橡胶硫化结构,具有反洗井单向打开功能。室内和现场试验表明,该封隔器密封和反洗井性能可靠,达到设计要求,可满足密封压差30 MPa、井斜小于40°的分层注水要求,最长密封有效期超过700 d。该高效注水封隔器为大斜度井和深井精细分层注水提供了技术支撑。     

封隔器胶筒应力数值模拟与结构优化研究

封隔器胶筒是具有弹性密封、用以保护套管的井下工具，其结构形式和材料性能决定封隔器的密封压差。利用MARC有限元分析软件模拟封隔器胶筒的密封状态，分析计算轴向载荷、密封压差与接触压力之间的关系及封隔器胶筒结构对它的影响，获得了胶筒高度、外斜角、外径等优化结构参数，提高了封隔器胶筒的耐压差性能。     

遇油膨胀封隔器胶筒密封性能有限元分析

胶筒的密封性能直接制约着封隔器的工作性能,对胶筒密封性能研究的关键就是研究胶筒与井壁之间的最大接触压力。为此,建立了遇油膨胀封隔器的计算模型,采用有限元软件对遇油膨胀封隔器在井下的密封性能进行研究,分析了胶筒长度和坐封环境温度对胶筒与井壁之间接触压力的影响。研究结果表明,随着胶筒长度的增加,胶筒与井壁之间的最大接触压力增加,但当胶筒长度增加到3.0 m后接触压力增加变缓;随着坐封环境温度的升高,胶筒与井壁之间的最大接触压力减小,且减小幅度较大。在塔河油田的应用结果表明,当遇油膨胀封隔器两端压力不高于90.00 MPa时,胶筒长度为3.0 m的遇油膨胀封隔器能够满足封隔地层要求,封隔器胶筒应力也低于橡胶材料的破坏极限。     

基于骨架支撑的大扩张比封隔器设计研究

针对现场需求开展了大扩张比封隔器研究,由于封隔器扩张比达到50%,常规结构难以实现。鉴于此,优化设计了能够支撑大扩张比封隔器胶筒大变形的金属骨架,并分别研制了直线割缝、螺旋割缝和叠片钢带等多种金属骨架结构,通过有限元计算、变形测试和支撑胶筒胀封试验的方法,对金属骨架进行了结构优化和性能分析。试验数据表明叠片钢带骨架结构发生变形后不产生缝隙,对胶筒大变形能够提供有效支撑和保护,同时具有很好的回复性能,因此采用叠片钢带骨架结构支撑封隔器胶筒。试验中,该封隔器(外径120 mm)在内径165~182 mm的井筒内能够坐封并且封隔压力达到20 MPa,最大扩张比达到50%,各项指标满足现场技术要求。研究结果和研究方法可为大扩张比封隔器的进一步优化设计提供参考。     

压缩式缩径井封隔器胶筒的结构优化研究

针对压缩式缩径井封隔器外径小、胶筒压缩变形量大、密封效果差的问题,开展了压缩式缩径井封隔器胶筒结构优化设计,并进行了承压能力的理论和试验分析,研制了一种适合缩径井高压密封的胶筒结构型式。通过试验证明,该缩径井胶筒(外径100mm)在φ139.7mm(51/2英寸)套管中承压不低于25MPa,满足了缩径井的使用要求。