内嵌式固井附件密封单元研制

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(中国石油集团 渤海钻探工程技术研究院，天津 300457)

内嵌式固井附件密封单元研制

范永涛，周俊然，王益山，张耕培，杨晓勇

(中国石油集团 渤海钻探工程技术研究院，天津 300457)

使用特殊螺纹的套管逐渐增多，与之配套的固井附件需要加工相应的套管螺纹，存在加工难、费用高且质量不易保证等缺点。内嵌式固井附件可以解决上述问题，但国外产品价格昂贵且使用过程中存在坐封不稳、沿套管内壁滑动的问题；国内研究仍处于探索阶段，仅有几项专利，没见到进行试验或现场应用的报道。介绍了内嵌式固井附件的工作原理，对其密封单元的卡瓦、密封圈等进行了优化；设计了内嵌式固井附件密封单元。室内试验表明：该固井附件密封单元可以满足固井附件锚定、密封套管的要求，为进一步研制内嵌式固井附件提供参考。

固井附件；密封单元；内嵌式；结构

固井是钻井工程的最后一个环节，固井附件(浮箍、浮鞋、球座等)对钻井工程的质量及经济效益有直接的影响[1-3]。目前深井、超深井、储气库井、海上油田等使用的套管含有越来越多的特殊螺纹，套管之间的连接密封性要求也越来越高，由于与之配套的固井附件需要加工相应的套管螺纹，因加工难度较大，螺纹加工质量也不易保证，增加了套管管串的失封风险。

为了解决上述问题，研发了内嵌式固井附件，包括内嵌式球座、内嵌式浮箍、内嵌式浮鞋等，主要由密封单元和功能单元组成，直接安装于套管内部，不用加工带有特殊螺纹的壳体，节省了加工螺纹的成本，且不需要固井附件的本体。内嵌式附件可以直接安装在套管内，安放位置不受限制，使用方便；避免了附件短节螺纹与套管螺纹因加工厂家不同而导致的不匹配，进而引起的管串失封问题，提高了安全性。

国外贝克休斯公司等，研制的内嵌式固井附件[4](Baker Oil Tools part #H079721601)已经在国内外现场进行了应用。国内冀东、新疆和海上等油田都曾引进应用国外产品[5-6]，但应用过程中存在坐封不稳、沿套管内壁滑动等问题。2008年，Jamie L.Imhoff申请了一项关于内嵌密封单元的专利[7]，其结构对贝克休斯公司的内嵌密封单元进行了改进。

国内方面，2012年长城钻探工程有限公司申请了一种内嵌套管单流阀专利[8]，该装置安装在套管本体内部，不用加工带有特殊螺纹的壳体，不会侵占套管螺纹，保证了特殊螺纹的完整性，但卡瓦结构不适合承受双向密封。一种随位浮箍(公开号：CN201851075)，是依靠液压推动一组卡瓦将套管附件固定在套管内壁上，但需要配套的液压泵，如果额定泵压较高，则会增大液压泵的体积等，出现携带、操作不便等问题；如果额定泵压低，则会出现密封单元坐封不稳等问题。一种油气井用摩擦式内置浮箍(公开号：CN201738874)，是依靠旋紧球篮螺纹将卡瓦撑开固定在套管内壁上，然而该浮箍只能承受反向压力，不能承受正向胶塞碰压压力，因此限制了其使用范围。还有一种内置式套管浮箍[9](公开号：202176310)，具有4组卡瓦，但卡瓦外圆面加工的矩形齿不利于密封单元的坐封。内嵌式固井附件的研究国内仍处于探索阶段，仅申请了几项专利，没见到进行试验或现场应用的报道。

1 工作原理

内嵌式固井附件包括内嵌式球座、内嵌式浮箍、内嵌式浮鞋等，主要由密封单元和功能单元组成，直接安装于套管内部。密封单元包括包括锚定装置和密封装置，锚定装置将内嵌式固井附件锚定在套管内一定位置；密封装置将内嵌式固井附件与套管之间的间隙进行密封。功能单元是实现内嵌式固井附件相应功能的装置。

2 结构设计

内嵌式密封单元主要由中心管、挡圈、卡瓦、锥形体、挡环、密封圈、隔环、压环、锁紧套等组成；该密封单元的胀封工具主要由锁紧套销、中心管销、支架等组成。如图1所示。

a 密封单元

b 胀封工具1—中心管；2—挡圈；3—卡瓦；4—锥形体；5—挡环；6—密封圈；7—隔环；8—压环；9—锁紧套；10—套管；11—锁紧套销；12—中心管销；13—螺栓；14—支架；15—垫片及螺母。图1 内嵌式固井附件密封单元及胀封工具

中心管为管状结构，一端有内螺纹，可以与套管附件连接；另一端开有缺口槽，可与胀封工具配合使用来控制中心管的轴向运动和旋转，同时外螺纹与锁紧套的内螺纹配合。锁紧套开有缺口槽，与胀封工具配合使用，可以旋转锁紧套，控制其轴向运动，推动压环及推动挡圈移动。锥形体为锥形管状结构，其外锥面与卡瓦内锥面配合，其内孔套在中心管上。卡瓦为开口的锥形结构，其外圆加工有防滑齿，内部的圆锥面与锥形体的外锥面配合，轴向受力时与锥形体发生相对位移时可使卡瓦外径增大。锥形体推动挡环及密封圈的移动，使密封圈外径扩大，密封圈为V型密封圈。锁紧套销为管状结构，一端开有缺口槽，可以与锁紧套配合，另一端有正方形通孔，外圆面有一段正六面体结构以利于管钳夹持。中心管销为管状结构，一段开有缺口槽且有挂钩结构，可以与中心管配合以控制中心管的轴向运动和旋转。螺栓靠近螺母一端为正方形结构，另一端为外螺纹，将锁紧套销与支架固定在一起，使锁紧销不能轴向移动和旋转。

3 室内试验及分析

3.1 试验目的

检验内嵌式固井附件密封单元的结构设计是否合理。以177.8 mm(7英寸)内嵌式固井附件密封单元为研究对象，根据SY/T5618—2009，其性能指标为正向承压25 MPa，反向承压30 MPa[10-11]。

3.2 试验设备及工具

1) 试验设备。电动试验泵4DSY-15/80及其辅助设备、带密封接头的177.8 mm套管短节等。

2) 试验工具。天车、管钳、链钳、螺丝刀、铜棒、黄油、丝扣油、密封带等。

3.3 安装密封单元步骤

1) 确认各零件符合设计加工要求。

2) 用柴油对各零件进行清洗。

3) 将密封圈安装在堵头上，并将堵头安装在中心管上。

4) 依次将卡瓦、锥形体、密封圈堵头、V型密封圈、压环、V型密封圈、锥形体、卡瓦、锁紧套安装在中心管上，如图2。

5) 用中心管销将中心管固定，用扶正管将中心管与中心管销中心线对齐，用锁紧套销旋转锁紧套进行预紧。

6) 用天车将密封单元及其装夹工具放入套管中。

7) 用密封单元的装夹工具将其坐封固定。

8) 安装套管防护接头，准备进行密封单元的承压试验。

图2 密封单元与安装工具配套

3.4 试验步骤

1) 调试试验装置、配齐试验所需设备和工具等。

2) 检查试验所用内嵌式固井附件密封单元，确保符合安装要求。

3) 将安装有内嵌式固井附件密封单元的7″套管短节固定在试验装置上准备试压。

4) 开启液压泵，往套管一端内部注入液压介质。

3.5 试验结果及分析

1) 试验数据。

表1 内嵌式固井附件密封单元试验数据

2) 试验结束后，将套管剖开，其形貌如图3。

a 卡瓦1接触的套管内壁

b 卡瓦2接触的套管内壁

试验时加压过程是一个循序增压的过程，试验最高压力为40.50 MPa，稳压15 min后压力降为40.03 MPa，属于合理的变化范围。试验过程中没有出现液压介质刺、漏的现象，也没有出现密封单元在套管内滑动的现象。试验结果表明，内嵌式密封单元可以正向承压40 MPa；由于密封单元的卡瓦和密封圈是对称分布的，认为密封单元也可以反向承压40 MPa，达到试验目的

通过对试验后剖开套管的情况观察发现，密封单元的卡瓦嵌入了套管内，很好地起到了锚定的作用，密封单元的密封圈胀开，起到了密封的作用，说明设计的结构合理、密封有效。

4 结论

1) 结合内嵌式固井附件的工作原理，研制了一种内嵌式固井附件密封单元及其安装工艺。

2) 经过室内承压试验，设计的内嵌式固井附件密封单元满足锚定、密封于套管内壁的要求，为进一步研制内嵌式固井附件奠定了基础。

3) 国外产品已在现场广泛应用，但国内研究有待于进一步推进。

[1] 吴柳根，滕照正，侯婷，等.国内尾管固井完井技术现状[J].石油矿场机械，2013，42(10)：52-56.

[2] 刘运楼，李福德，刘伟.浮箍井下工作环境与失效分析[J].天然气工业，2006 (12)：94-96.

[3] 朱和明，吴晋霞，郭朝辉，等.浮箍和浮鞋失效原因分析及预防[J].石油矿场机械，2013，42(8)：66-71.

[4] Baker Hughes.Baker oil tools[EB/OL].http：//www.docin.com/p-495651655.html，2012-10-11.

[5] Pungkl Ariyanto，Mohamed A.Najwanl，Yaseen Najwanl，et al.Achieving Cementing Improvement in Horizontal Tight Gas Field Development[C]//The SPE Middle East Unconventional Resources Conference and Exhibition held in Muscat，Oman，26-28 January 2015.

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[8] 郑亚杰，柳进，陈英明，等.一种内嵌式套管单流阀：中国，203114243[P].2013-08-07.

[9] 周战云.内置式套管浮箍：中国，202176310[P].2012-03-28.

[10] 周全兴.钻采工具手册(上)[M].北京：科学出版社，2007.

[11] 邹晓敏，李伟，余金陵，等.自膨胀辅助固井工具研制及试验[J].石油矿场机械.2012，41(8)：43-46.

DevelopmentofASealingUnitofEmbeddedCementingAccessory

FAN Yongtao，ZHOU Junran，WANG Yishan，ZHANG Gengpei，YANG Xiaoyong

(EngineeringTechnologyResearchInstitute，BohaiDrillingEngineeringCompanyLimited，CNPC，Tianjin300457，China)

The quality of cementing has a direct impact on the quality and efficiency of drilling engineering.Currently special thread casings have got more and more used，and cementing its supporting accessories to be processed corresponding casing thread.There is a difficult process，costly and difficult to guarantee the quality and other shortcomings.Embedded cementing accessories can solve these problems，but foreign products are expensive and the course of practical application exists packer instability，slide along the inner wall of the casing.Domestic research is still in the exploratory stage.Only a few patents can be searched and the laboratory tests or field applications are not reported.The embedded cementing accessory sealing unit slips，seals and other optimized design of the embedded accessory cementing sealing unit.The laboratory test proves the sealing unit of embedded cementing accessory can meet the cementing anchor，sealing sleeve requirements.It is to the benefit of the embedded cementing accessory for further development.

cementing accessory；sealing unit；embedded；structural

1001-3482(2017)06-0081-04

2017-06-08

中国石油集团公司重大工程技术现场试验项目“华北深潜山优快钻完井与试油测试技术现场试验”(2014F-1802)

范永涛(1983-)，男，山东定陶人，工程师，博士，现从事钻完井工程技术研究及工具研发。

TE925.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.017