高溫高壓測試封隔器膠筒的研制

毛軍

關鍵詞：高溫高壓；測試封隔器；膠筒；結構；氟化橡膠；材料優化

0 引言

我國油氣勘探開發逐步向四川盆地、塔里木盆地等深部復雜地層推進［1］。其中新疆塔中北坡奧陶系主要以斷溶體油氣藏為主，油井地層壓力系數1.17，氣井地層壓力系數在1.49 以上，最大關井壓力102 MPa， 地層溫度近210 ℃， 鉆井液密度1.20～2.24 g/cm3［2］，這類高溫高壓油氣井測試屬于世界級難題［3］。目前高溫高壓油氣井測試封隔器包括有水力錨的機械式單向卡瓦封隔器［4］、永久式液壓封隔器［5］、化學切割回收封隔器。由于國內高溫高壓封隔器尚不能滿足超深高溫高壓油氣井測試工作要求，通常引進國外測試封隔器，如哈里伯頓公司的RTTS［6］和CHAMP 封隔器，其指標達到204℃、105 MPa、V1 級，但現場應用成功率尚不足80%，主要原因是封隔器膠筒結構設計和材料選用不合理，在高溫條件下易發生老化［7］，造成在高壓差下擠壞。超深井對封隔器膠筒橡膠的耐高溫、耐高壓和耐腐蝕能力提出了更高要求［8］。筆者針對高溫高壓油氣井測試問題，優化了封隔器膠筒結構，優選了氟化橡膠（FKM） 材料，并依據井下工具測試標準API 11D1 對該高溫高壓測試封隔器膠筒進行了室內評價試驗，驗證了其性能指標達到了204 ℃、105 MPa、V0 級，將其與現有測試封隔器裝配并進行了現場應用，驗證了該膠筒的可靠性。

1 高溫高壓測試封隔器膠筒設計

1.1 膠筒結構設計

采用三膠筒結構設計，如圖1 所示。中間膠筒起密封作用，2 個端膠筒采用金屬絲網硫化橡膠結構，為中間膠筒提供肩部保護，起到承壓作用。箍簧主要用于增加端部膠筒的回縮力，保證膠筒有效可回收。金屬絲網在高溫膠筒中的主要作用是防止橡膠被擠出，并起到支撐作用。合理的絲網密度和形狀設計是實現該功能的關鍵［9］。依據理論分析和高溫高壓測試實驗評價結果，對封隔器膠筒進行3 次結構調整。第1 次采用標準的端部支撐結構，即彈簧加金屬絲網；第2 次對中膠筒添加折疊槽，改變端部金屬絲網密度；第3 次對擴大端部金屬絲網覆蓋面積。經過第1 次結構調整后的膠筒和第2 次結構調整后的膠筒在高溫高壓測試后均出現端膠筒斷裂情況（圖2），說明這2 種膠筒在高溫高壓下結構不穩定。經過試驗，金屬絲網由最初的圓環型更改為“7”型，即在端膠筒上部與擠壓環接觸面也添加金屬絲網，解決了高溫擠出效應。最終金屬絲網質量為 87 克，占端膠筒體積的23%，金屬絲網結構如圖3 所示。

1.2 膠筒橡膠材料優選

為確保封隔器膠筒具有可重復坐封及耐高溫、高壓及防酸腐功能，在已有氟化橡膠（FKM） 系列材料中優選了膠筒材料。優選了5 種方案，并通過實驗驗證膠筒耐溫和耐壓性能。方案1（FKM 1265/56）、方案2（FKM 1297/56）和方案3（FKM 1327/56）材料的端膠筒總是出現斷裂，方案4（HNBR 919/05）材料的中膠筒在實驗過程中出現破損，最終采用方案5（1620/86） 為端膠筒材料、FKM 1540/86 為中膠筒材料。并對方案5 膠筒進行了204 ℃ 高溫拉伸試驗和激光應變試驗，如表1 所示。

1.3 膠筒尺寸和參數計算

膠筒外表面與套管內壁之間最大許用間隙 ［10］為

式中， 為彈性體許用相對軸向變形 ，可用試驗方法求得，其大小取決于材質和工作條件， %； 為膠筒最大外半徑， mm ； 為膠筒最小內半徑， mm ；為封隔器承受的工作（層間） 壓差， MPa ； 為套管內半徑或井半徑， mm ； 為膠筒上徑向分布力強度， MPa ； 為橡膠許用剪切應力， MPa ； 為橡膠泊松比； 為中心管與膠筒之間摩擦因數；A1 為膠筒變形后的橫截面積，mm2；G 為橡膠的抗剪切彈性模量，MPa； 為膠筒的縱向變形量，%。

在設計測試封隔器膠筒外徑時，考慮封隔器下入時不磨損膠筒的安全間隙為1～5 mm，其內徑考慮0～4% 的預拉伸安裝余量，得到膠筒的主要技術參數：端膠筒外徑160.41 mm，端膠筒內徑105.8 mm，端膠筒高度44.51 mm，中膠筒外徑160.58 mm，中膠筒內徑105.87 mm，中膠筒高度69.36 mm，膠筒接觸角75°，最小坐封載荷150 kN，工作壓差105 MPa，工作溫度204 ℃。

2 膠筒有限元模擬分析

膠筒是封隔器實現密封性能的主要部件。膠筒屬于超彈性材料，它的機械性能對溫度、載荷和應變率很敏感。應變能函數可以用于表征超彈性材料的機械性能，可近似表示為

式中， 為應變能函數； 為應變張量第一不變量；為應變張量第二不變量； 、、為材料常數；為材料不可壓縮參數；J 為變形前與變形后體積比。

封隔器膠筒結構的有限元分析屬于非線性有限元范疇，其非線性突出地表現在材料非線性、幾何非線性和邊界非線性３個方面，用于計算密封的邊界條件復雜，必須包含接觸面的受力計算，其呈非線性關系。下面采用有限元分析軟件，在考慮大變形、非線性等條件下進行建模分析。

根據高溫高壓測試封隔器膠筒的幾何形狀、材料和邊界條件，通過建立平面二維軸對稱模型進行等效力學仿真。中間膠筒主要起密封作用，邊膠筒起肩保作用，中膠筒與邊膠筒均為超彈性材料。

膠筒載荷主要為壓縮坐封，坐封力為150 kN，為了更好地模擬坐封壓力，通過對壓環施加位移載荷，經分析后提取坐封力來驗證坐封力及坐封后的密封情況。中心管和套管均為鋼質管狀結構，穩定性強，因此中心管內側及套管外側施加位移量為0。膠筒與中心管及套管之間摩擦因數取0.25。中膠筒、端膠筒分別采用４節點CAX4RH 單元劃分網格，中心管、套管采用CAX4R 單元劃分網格，模型共劃分單元數23 432，如圖4 所示。

對膠筒施加載荷，通過有限元分析來驗證膠筒結構是否合理、硬度是否達標。圖5 給出了204 ℃條件下膠筒在初始狀態、坐卡、加 150 kN 載荷坐封、膠筒承下壓105 MPa、壓力穿透情況形變狀態下應力。圖5 中紅線部分為中膠筒和下部端膠筒結合部分主應力的主要集中區，最大應力13.45 MPa，小于中膠筒和端膠筒材料抗拉強度，滿足膠筒強度的要求。

端膠筒采用鋼絲網硫化橡膠工藝，以加強支撐強度，起到肩部保護作用。為了解端膠筒應力集中位置，在204 ℃、下部穩壓105 MPa 壓差條件下，對上、下端膠筒進行有限元分析。由圖6 可看出，隔環外端、膠筒位置、膠筒芯軸、膠筒鞋為高應力區，最大值6.3 MPa，小于端膠筒抗拉強度，由于這些部位緊臨金屬，具有更高的強度，能夠滿足承壓要求。

3 膠筒高溫高壓密封性能試驗

為驗證高溫高壓測試封隔器膠筒在測試、酸壓和開關井期間的承壓效果，開展了封隔器膠筒性能評價室內測試，試驗裝置結構如圖7 所示。用拉伸機坐封膠筒并鎖定，通過電磁加熱套加熱膠筒，對上端流體注入孔打壓，驗證膠筒上壓力，下端流體注入孔泄壓，驗證膠筒下壓力。通過兩個注入孔的打壓、卸壓來模擬膠筒承受壓差情況。

本次試驗依據國際標準API 11D1［11］執行，最大壓差105 MPa，2 次壓力反轉，溫度循環1 次。在204 ℃ 時，膠筒打下壓105 MPa，并維持15 min 以上，然后進行壓力反轉，打上壓105 MPa，并維持15 min以上，再進行反轉，打下壓105 MPa，維持15 min 以上，保下壓105 MPa，降溫至177.9 ℃，持續保壓2 h，再升溫至204 ℃。試驗按照API 11D1（V1） 級標準執行，整個過程無泄露，檢測0 氣泡，達到V0 級。由表2 可以看出，試驗前后膠筒尺寸變化率在5% 以內，膠筒性能保持較好。

4 組裝封隔器樣機及室內試驗

4.1 試驗概況

將膠筒與現有測試封隔器裝配成試驗樣機，如圖8 所示。1#加壓孔坐封壓力用來模擬軸向坐封載荷，2#加壓孔壓力為膠筒上壓力，3#加壓孔壓力為膠筒下壓力。因試驗條件限制，需先把封隔器置入套管內，通過拉伸機施加軸向坐封力，坐封封隔器。為保證坐封力，將鎖緊接頭鎖死，鎖緊接頭與加壓接頭距離為坐封距。整個試驗裝置放在加熱箱內。

經過6 d 測試，連續完成3 項試驗：（1） 204 ℃、105 MPa 溫壓性能試驗；（2） 保壓105 MPa，204 ℃ 降溫至150 ℃ 溫度循環性能評價試驗；（3） 保壓105MPa，105 ℃ 升溫204 ℃ 工具性能評價試驗。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1 204 ℃、105 MPa 溫壓性能試驗

本次試驗在高溫204 ℃ 分階段打壓至105MPa，并進行壓力反轉分階段打壓至105 MPa，在高溫高壓下保壓15 min。該套工具在壓力反轉打下壓力至90 MPa 時試驗裝置密封圈被擊穿，然后在高溫情況下對密封圈進行置換，并重新加溫，穩定后穩壓15 min。試驗表明，工具在204 ℃ 情況下封隔器膠筒上下均承壓差105 MPa，如圖9 所示。

4.2.2 105 MPa、204 ℃ 降溫150 ℃性能評價試驗

試驗膠筒保下壓105 MPa 情況下進行204 ℃降溫至150 ℃ 溫度循環試驗。降溫過程中壓力也隨之降低，打壓到105 MPa，在150 ℃ 時進行壓力反轉，打膠筒上壓時發生泄露，穩壓在70 MPa，又進行反轉試驗， 下壓能夠承壓105 MPa， 上壓承壓70 MPa，如圖10 所示。

分析承上壓70 MPa 的原因：（1） 本次試驗采用的是舊膠筒，膠筒性能降低所致；（2） 該試驗裝置采用液壓轉換坐封力，螺紋固定坐封距。當加下壓時，其給坐封液壓缸一個上頂力，因螺紋有一定的縫隙，減小其坐封力，導致坐封載荷略有減少，降低承壓指標。

4.2.3 105 MPa、150 ℃ 升溫204 ℃性能評價試驗

在膠筒保下壓105 MPa 情況下，進行150 ℃ 升溫至204 ℃ 循環試驗，在升溫過程中，壓力也隨之升高，保壓105 MPa，升溫到204 ℃ 時，進行壓力反轉，打膠筒上壓時，穩壓在105 MPa，穩壓2 h。該試驗表明，工具在150 ℃ 升溫204 ℃ 情況下，封隔器膠筒下部和上部均承壓差105 MPa。

4.2.4 膠筒變化量分析

試驗前后膠筒變化量最大的是上膠筒外徑，增加2.4 mm，膠筒尺寸變化率全部在5% 以內，試驗前后封隔器膠筒性能保持比較好，可滿足要求。

5 結論

（1） 膠筒外部折疊槽設計可以增加坐封狀態下膠筒的穩定性，降低高壓差下封隔器膠筒的應力薄弱點。

（2） 采用增強型三膠筒結構和FKM 材料，增強了膠筒強度，有限元分析和室內試驗結果均表明該高溫高壓測試封隔器膠筒能夠滿足204 ℃、105MPa 溫壓指標。