管内封堵器胶筒硬度对其自密封特性影响研究

管内封堵技术逐渐成为管道维抢修作业的主要应用技术,而封堵器胶筒的参数设计准则及自密封性能是胶筒设计的关键因素。通过有限元模拟方法,研究了胶筒在密封过程中的自密封特性,分析了不同胶筒硬度对其自密封性能的影响。结果表明:胶筒在密封过程中只需提供一定的轴向力,使其达到自密封条件,就可以使其完成管内封堵; 随着胶筒硬度的增大,胶筒形成自密封的条件越困难,所需轴向力越大。研究内容不但对管内封堵胶筒的设计具有一定的指导作用,而且为管内可靠封堵提供了保障。     

环空防喷器胶筒密封性能影响因素研究

以井下环空防喷器胶筒为研究对象,利用柔性密封理论,通过胶筒工作时的受力分析,对影响井下环空防喷器胶筒密封性能的因素进行了分析,建立了井下环空防喷器柔性密封性能的数学模型。通过对不同过流面积下的环空流场进行模拟,得到胶筒表面的压力和流速变化曲线,为分析现场胶筒坐封方法提供理论参考。     

基于正交试验的压缩式封隔器胶筒的结构参数优化

主要用于封隔油管与套管环形空间的封隔器胶筒在现场使用中常常出现密封失效和撕裂失效等问题。为了解决上述突出问题,基于虚功原理、Von Mises屈服原则及接触非线性理论,建立了压缩式封隔器胶筒工作中的三维有限元计算模型,采用正交优化方法,对胶筒的关键结构参数长度、厚度和倒角尺寸进行了优化,获得了胶筒关键结构参数的最优组合方案,并对优化前后封隔器胶筒的力学性能进行了对比分析。研究结果表明：①对胶筒密封性能影响由大到小的因素排序为：厚度、倒角尺寸、长度;②胶筒关键结构参数的最优组合应为长度80 mm、厚度20 mm、倒角尺寸10 mm;③较之于优化前,优化后的胶筒与套管间的最大接触应力平均提高70.44%、胶筒最大Mises应力平均降低15.72%、胶筒的压缩距平均降低37.82%;④在相同坐封载荷作用下,优化后的胶筒增大了胶筒与套管间的接触应力、降低了胶筒自身的Mises应力。结论认为,经过参数优化后的封隔器胶筒能够更好地满足现场使用中的密封性能和寿命要求。     

海底管道封堵器封隔圈设计与试验研究

海底管道智能封堵器作为海底高压管道定点封堵工具，能够及时快速地对损伤进行检维修，不仅可以保证正常生产，减少经济损失，还会避免环境污染和生态破坏。为实现Ф304.8 mm(12 in)海管内10 MPa压差安全可靠密封，基于Mooney-Rivlin本构模型进行封隔圈结构参数对密封性能影响的数值模拟研究，确定氢化丁腈材料封隔圈硬度、厚度、高度和倾角对密封性能的影响并获得最优方案，通过试验研究了封堵器密封性能以及内嵌弹簧圈对封隔圈密封能力的影响。研究结果表明：按照数值模拟最优结构参数制造的封隔圈密封性能满足管道10 MPa压差要求，内嵌弹簧圈相比未内嵌弹簧圈的封隔圈在坐封状态下密封性能更好。所得结论可为Ф304.8 mm海管内智能封堵器密封单元制造提供理论和试验依据，增强对封隔圈结构影响密封性能原理的认识。     

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。     

深层气井封隔器胶筒力学行为仿真

以深层气井测试作业过程中常用的RTTS封隔器为对象,采用ANSYS软件建立了封隔器胶筒非线性材料大变形接触问题的力学模型,开展了坐封后胶筒的受力与变形规律研究,并对影响封隔器密封性能的各种结构参数和材料参数进行了敏感性分析。分析结果表明,胶筒高度越高、胶筒硬度越小,越易坐封;胶筒厚度越小、胶筒高度越高、胶筒摩擦因数越小,胶筒与套管间接触力越大。需要特别指出的是,存在一个胶筒坐封最容易的中等厚度,存在一个胶筒与套管内壁接触力最大的胶筒硬度,随着摩擦因数的增大,胶筒与套管内壁间接触力减小,摩擦力增大。     

组合式闸板胶芯性能的正交试验和回归分析

带压作业的闸板防喷器胶芯密封结构多采用组合密封,橡胶基体和耐磨块的材料特性同时影响胶芯的密封性能。为了分析闸板胶芯的材料参数对其密封性能的影响,选择胶芯密封面上的有效接触应力和橡胶基体上最大应变能密度作为密封性能的评估指标,基于正交试验法分析影响闸板防喷器胶芯密封性能的主次因素及规律,建立了材料参数与有效应力之间的多元完全二次非线性回归模型,并分析了各参数的交互作用。分析结果表明:各因素对密封面上有效接触应力和橡胶基体上最大应变能密度的敏感性大小顺序为操作压力>耐磨块弹性模量>橡胶基体硬度>耐磨块泊松比;建立的多元回归模型的拟合剩余标准差分别为0. 513 0和0. 314 1,可以用该模型精确地分析材料参数与胶芯密封性能的关系;组合式闸板防喷器胶芯耐磨块最佳弹性模量为700～800 MPa,泊松比为0. 40～0. 47。所得结果可为组合式闸板防喷器胶芯的材料参数设计提供依据。     

自膨胀封隔器密封性能影响因素分析

封隔器胶筒密封性能的研究关键就是胶筒与井壁之间的最大接触压力。以YZF51/2″×203×3000型遇油膨胀封隔器为研究对象,利用有限元软件分析了胶筒橡胶硬度、井壁摩擦因数以及工作压力对胶筒与井壁的接触压力以及胶筒应力的影响。分析结果表明,随着橡胶硬度的增加,胶筒与井壁间最大接触压力增加,密封性能增加;井壁摩擦因数较小时,胶筒与井壁间最大接触压力随着摩擦因数增加显著,但当摩擦因数大于0.15后,其对接触压力影响较小;工作压力应该控制在90 MPa以内,即工作压差在30 MPa以内,封隔器能够实现安全密封。研究结果可指导自膨胀封隔器胶筒的优化设计以及自膨胀封隔器的现场应用。     

热采井封隔器胶筒非线性大变形分析

井底复杂环境下封隔器胶筒的密封性能是影响热采井生产安全的关键因素之一。采用Yeoh本构模型表征胶筒超弹性与非线性特点,数值仿真封隔器坐封过程,分析胶筒非线性大变形,获得胶筒压缩距与接触应力变化规律。基于正交试验设计方法,系统研究了坐封载荷、井底温度、胶筒长度、胶筒厚度、胶筒与套管摩擦因数等对胶筒力学响应的影响。研究结果表明:封隔器坐封载荷与胶筒厚度是影响胶筒压缩距和接触应力的主控因素;随着坐封载荷增加,封隔器压缩距与接触应力非线性增大;胶筒厚度的增加能明显降低压缩距,提高接触应力。研究结果可为热采井封隔器型号优选提供依据。     

油气管道球状双封封堵器胶筒端面斜角优选

球状双封封堵器主要应用于油气管道的不停输维修工艺中,密封胶筒的性能直接影响了封堵器的封堵效果。应用ABAQUS有限元分析软件优选了封堵器胶筒端面斜角的几何参数,通过研究密封胶筒的端面斜角与胶筒与管壁接触压力之间的规律,确定出密封胶筒端面斜角的最优值。结果表明:在其他参数确定的情况下,胶筒与管道最大接触压力随着胶筒端面角度增大呈现出先增大后减小又增大的规律,得出端面角度的最优值为15°。     

冲砂同心管用Z331型自封封隔器研制

在同心管冲砂方式转化作业过程中,自封型封隔器是实现井底冲砂液流转向所必需的井下工具。为解决常规皮碗状自封封隔器使用寿命短、易砂阻、易砂卡的技术难题,研制了同心管用Z331型囊状自封封隔器。通过封隔器的结构设计、工作原理及囊状橡胶密封圈的有限元数值模拟,研究了Z331型囊状封隔器的工作特性、密封有效性及冲砂作业适用性能。耐磨蚀囊状橡胶密封胶筒可有效预防封隔器密封胶筒落砂,有效控制砂阻、砂卡管柱,同时提高了橡胶密封面因冲砂作业反复活动起下管柱而所需的耐磨蚀性能。为冲砂同心管型自封封隔器的设计提供了一种新的方法。     

遇水膨胀封隔器关键技术研究

针对常规封隔器在大尺寸及不规则井眼中使用可靠性较差的问题,开展了遇水膨胀封隔器技术研究。采用了测试遇水膨胀橡胶膨胀率和封隔能力等的方法,优选了遇水膨胀橡胶的配方:橡胶D1+70%吸水聚合物+20%补强剂A+40%补强剂C。通过室内试验分析了温度及盐溶液对遇水膨胀橡胶的影响规律,结果表明:随着温度的升高,遇水膨胀橡胶的膨胀率增大,但当温度高于120 ℃时,其膨胀率随温度升高而降低;盐溶液的离子强度越高,遇水膨胀橡胶的膨胀率越低。分析了遇水膨胀封隔器的膨胀密封机理,并采用有限元方法分析了遇水膨胀橡胶不同膨胀率下的封隔能力,发现遇水膨胀橡胶的膨胀率越大,封隔能力越强。现场应用表明,遇水膨胀封隔器能解决常规封隔器在大尺寸及不规则井眼中使用可靠性较差的问题。      

高性能底封拖动分段压裂工具研制及试验

底封拖动分段压裂工具作为“三低”油气藏开发及低品位油气资源效益挖潜的一种利器,目前在国内油田大量推广应用取得了一定效果。但工具在长水平段中的作业性能难以满足油公司降本增效的需求。因此文章开展高性能底封拖动分段压裂工具研究,采用有限元模拟分析方法结合加工实际对喷嘴孔道参数、封隔器胶筒结构参数及卡瓦合金齿设计参数进行优化设计,数值计算结果表明喷嘴孔道长径比l/d,扩散角θ₁,收缩角α₁在最优设计参数时喷嘴射流效果最佳。坐封胶筒采用“M”形结构,内外壁应力集中处设计应力释放槽,胶筒坐封时内部应力及管壁接触应力改善明显。锚定单元轴向承压70 MPa时卡瓦硬质合金齿的嵌入倾角α<27°,突出高度h<1.5 mm时套管径向形变最小。室内测试及现场应用结果表明,优化改进后的喷砂射孔器过砂能力10 m³以上,封隔器胶筒反复坐封解封10次封隔压差70 MPa,作业管柱具备一趟管柱压裂10段以上的作业能力,能很好满足现场应用需求。     

244.5 mm套管三胶筒隔离封隔器研制

为了解决老式隔离封隔器容易出现刮损失效和密封性能差的问题,采用具有不同硬度组合的三胶筒式密封结构,研制了一种适用于海上油田防砂作业的新型隔离封隔器。该隔离封隔器由密封机构、锁紧机构、坐封机构和心轴组成。通过优化胶筒的参数,以及在胶筒两端安装铜环,使胶筒的压缩力更加均匀。室内试验时,正反向验封压力均达到41.4 MPa,坐封后自锁状态稳定。现场应用表明,该封隔器设计合理、性能可靠。     

锁环回退距对封隔器胶筒密封性能影响研究

封隔器作为完井必不可少工具,其密封可靠性直接关系着作业的成败。对于封隔器的密封性能研究,大部分集中在胶筒结构和防突优化研究上,基本忽略了锁紧机构回退对密封性能的影响。以177.8 mm(7英寸)隔离封隔器锁环机构为研究对象,完成了锁环回退距的机理研究; 设计了微位移测量系统,用于检测锁环回退距与坐封力之间的关系。将试验数据与ANSYS软件相结合,分析锁环回退距对胶筒与套管间接触压力的影响。研究结果表明,当回退距达6 mm时,接触压力下降5.3 MPa,降幅达到48%; 回退距与接触压力间呈现线性关系,锁环回退距的增加对密封性能影响较明显。该结论对提升封隔器胶筒密封可靠性具有重要意义,也为锁环设计及优化提供理论支持,从而降低对胶筒组形状结构和材料性能的要求。     

隔离密封检测工艺及配套密封工具研究及应用

针对密封筒受到磨损、腐蚀导致自密封封隔器的胶筒密封易失效而无法分层开采的问题,开发出一套隔离密封性能检测管柱工艺。通过内置在检测管柱中的压力计和流量计,对密封筒的受损情况进行有效检测。依据现有标准《油气田压缩式封隔器胶筒》,设计不同规格新型密封工具的胶筒,来满足不同类型密封筒的要求。首先,对胶筒的尺寸参数、硬度进行了优选;然后,对检测工具的胶筒进行座封试验、耐压试验及密封性能试验,确定出不同规格的密封筒对应的密封工具的压缩距及坐封力。利用检测工艺对分层失效的井进行现场检测,利用密封胶筒对受损密封筒进行有效密封补偿。开发的检测工艺技术能够在有缺陷密封筒的油水井中对井下密封筒进行定量化检测,保证有效分层开采。     

耐高温高压封隔器胶筒性能研究

封隔器的关键元件是具有密封能力的胶筒,胶筒的高温力学性能是影响其密封能力的主要因素。预选了2种四丙氟橡胶A与B,采用变量控制实验法设计了8种组分,按照API 11D1要求,对150 ℃×96 h、200 ℃×96 h,230 ℃×96 h等不同高温条件处理后的橡胶材料的拉伸强度、100%定伸强度、扯断伸长率等力学性能进行了测定。优选出一种橡胶材料,其在经过200 ℃×96 h高温处理后,拉伸强度仍保持21 MPa,100%定伸强度为12 MPa; 用该橡胶材料制备成封隔器胶筒,成功通过了200 ℃、70 MPa油密封30 min无压降、无泄漏试验。研究结果可为耐高温高压封隔器胶筒材料的选择与性能研究提供试验依据。     

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。     

可解挂双向锚定悬挂封隔器关键技术

针对常规双向锚定封隔器存在的提前坐挂坐封、密封失效和坐封后无法解挂等问题,研制了集成重载锚定、高压密封、防提前坐封和解挂等多种功能的可解挂双向锚定悬挂封隔器,开展了高承载技术、高压密封技术、防提前坐封技术和解挂技术等关键技术研究,并采用有限元方法分析了整体式卡瓦张开后的应力应变情况。性能测试结果表明,各功能单元的性能参数均达到了设计要求。可解挂双向锚定悬挂封隔器在20多口井进行了现场应用,坐挂坐封均成功,解决了常规双向锚定封隔器存在的问题。可解挂双向锚定悬挂封隔器的成功研制,为多种完井工艺的顺利实施提供了一种可靠的锚定封隔工具。