满足连续管带压提下要求的悬挂密封器弹性密封体优化设计

傅登伟，邱福寿，胡承军，童镜树，孟 胡，彭 辉，蒙永立

新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000

满足连续管带压提下要求的悬挂密封器弹性密封体优化设计

傅登伟，邱福寿，胡承军，童镜树，孟 胡，彭 辉，蒙永立

新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000

针对在对油井井底进行温度、压力监测过程中，井口密封装置无法满足连续管带压提下要求的问题，开展了连续管带压提下作业方案的研究。设计了连续管带压提下悬挂密封器，并采用二次序列规划法及田口优化法，对悬挂密封器的关键零部件弹性体进行结构尺寸优化。通过对比分析两种优化方法得到的结果，确定了弹性体最佳结构尺寸。室内试验表明，采用两种优化方法计算得到的弹性体结构尺寸与性能，皆与试验结果一致，验证了弹性体结构尺寸最优解的可靠性。

连续管；带压提下；井口密封装置；弹性密封体；尺寸优化；室内试验

新疆油田近年来采用SAGD工艺大规模进行稠油和超稠油开发，为掌握油层吸汽程度及均匀性，需在单井水平段下入连续管（内置测试仪器）进行井底测温、测压[1]。采用SAGD工艺开采单井时，在吞吐预热周期以及转抽作业时，需要带压上提及下入上述下入的测试连续管，目前该工艺存在如下问题：其一，井口密封装置不能满足测试连续管带压提下的要求，只能在压井或下次检泵作业时，方可更换测试连续管；其二，一井一缆测试方式的成本投入较高。

考虑到上述问题，以及根据目前带压修井的发展方向、配套设备和工艺需满足带压作业的要求，开展了满足连续管（准18 mm）带压提下要求的悬挂密封器的设计研究。在研究工作中，对其关键零部件弹性体结构尺寸进行了优化，并通过室内试验，验证了结果的准确性。

1 密封器结构设计及密封操作方案

根据要求满足连续管带压提下的要求，井口悬挂密封装置应满足连续管下入及上提过程中的动密封及连续管测试过程中的静态密封要求[2]。为此，设计了如下结构的悬挂密封器及密封操作方案，见图1、2。

该悬挂密封器主要由由壬、X型弹性密封体、注脂阀等构成。其在连续管带压提下操作时的密封操作方案是：在连续管下入过程中，因连续管与弹性密封体之间存在动态摩擦，弹性密封体可能因长期作业而发生损坏，从而导致井内液体的泄漏，对于这种情况，通过旋紧由壬压紧弹性密封体，从而达到增加密封可靠性的目的；若旋紧由壬后，井内液体依然泄漏，此时可先通过注脂阀向静态密封腔内注入密封脂，实现静态密封，而后打开上部由壬、锁环，更换X型弹性密封体，然后再上紧由壬，如此可继续进行带压提下作业；在下入完成后，可通过注脂阀向注脂腔注脂，达到静态密封的效果。

图1 带压提下连续管的总体方案

图2 井口悬挂密封装置结构示意

2 弹性密封体结构尺寸优化

从上述密封体结构设计及密封操作方案中可以看出，井口悬挂密封装置中弹性密封体的结构直接影响连续管的动态及静态密封，因此结合现场工况，分析了弹性密封体的受力，确定了优化目标，并通过采用二次规划法及田口优化方法对结构尺寸进行优化。

2.1 受力分析及优化目标、变量确定

提下测试连续管作业的工作压应力≤5 MPa，井口温度≤120℃，弹性密封体受力情况见图3。

图3 弹性密封体受力示意

连续管在动态或静态工作时要保证其密封可靠，其优化目标表达式为：

式中：a为常数，表示预应力与工作压应力差值，MPa，其值越大越好。

根据优化目标，结合井口相关尺寸，确定弹性密封体结构尺寸优化的变量及赋值：外径取56～60 mm、开口角度取18°～22°、圆弧半径取18～20 mm。

2.2 二次序列规划法优化

采用序列二次规划法对弹性密封体进行结构优化，优化收敛公差为1%，最大优化迭代次数设为20，通过多通道迭代获得精确最优解。

通过两次迭代试验，可确定外径58 mm、开口角度60°、圆弧半径20 mm为最优解，最优解对应的应力为19.5 MPa。建模及分析结果见图4～7。

图4 弹性密封体三维模型

图5 弹性密封体受力分析

图6 第一次迭代试验

图7 第二次迭代试验

2.3 田口优化方法

采用田口优化方法对弹性密封体进行结构优化，通过正交实验、交互作用及影响权重分析，确定最优尺寸解。

（1）正交实验。对2.1节确定的变量进行取值，各变量取值见表1；利用Minitab设计田口优化试验正交表，并通过ANSYS软件模拟得出相应值（响应值），见表2。

（2）权重分析。通过对田口试验进行权重分析，观察斜率，确定影响权重，见图8。分析得出：第一，外径对响应值的影响最大，开口角度次之，圆弧半径对响应值的影响最小；第二，对照响应组合表2，发现各因子单独作用时，响应最大值的组合对应力响应并非最大，说明各个因子间存在交互作用。

表1 田口试验变量取值

表2 田口试验组合及响应值

图8 因子影响权重分析

（3）交互作用分析。分析结果见图9。从图9可得出：第一，当圆弧半径在20～22 mm间变化，外径在58～60 mm间变化时，两段曲线平行，不存在交互作用。第二，当开口角度在60°～62°间变化，外径在56～58 mm变化时，两段曲线平行，不存在交互作用。

图9 各因子间交互作用

（4）最优解的确定。最优解的取值以不存在交互作用或交互作用最小为原则，结合权重分析，最终确定外径58 mm、开口角度60°、圆弧半径20 mm为最优解。通过ANSYS软件模拟，计算最优解对应的最大应力为20 MPa，见图10。

图10 弹性密封体受力分析

通过对二次序列规划法及田口优化方法的对比，得出如下结论：第一，求得的最优解一致；第二，最大应力值误差为0.25%。对比结果验证了最优解的准确性。

3 室内模拟试验

在室内对产品进行了密封性能试验[3]，数据见表3，数据表明，产品性能达到了设计要求。

表3 密封性能试验数据

4 结束语

本文采用二次序列规划法及田口优化法，对悬挂密封器的关键零部件弹性体进行结构尺寸优化。通过对比分析两种优化方法得到的结果，确定了弹性体最佳结构尺寸。室内试验表明，采用两种优化方法计算得到的弹性体结构尺寸与性能，皆与试验结果一致，验证了弹性体结构尺寸最优解的可靠性。

[1]郭立晓，伍开松，袁新生，等.抽油杆盘根密封机理研究[J].石油矿场机械，2008，37（3）：29-32.

[2]王排营，单海荣，刘志强，等.SFHTGW6-14型手动抽油杆防喷器[J].石油机械，2009，37（11）：55-56.

[3]ISO 10423，井口装置和采油树[S].

Study on optimum design of elastic seal body of suspension sealer for lifting and lowering continuous tube under pressure

FU Dengwei，QIU Fushou，HU Chengjun，TONG Jingshu，MENG Hu，PENG Hui，MENG Yongli
Engineering Technology Research Institute，CNPC Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China

The wellhead seal of a suspension sealer can not meet requirements of lifting and lowering of a continuous tube at oil well bottom under pressure during the temperature and pressure monitoring，so the technical scheme research on lifting and lowering operation of the continuous tube under pressure is conducted.The suspension sealer is designed，and the structural dimension optimization of the elastic seal body as the key component of the suspension sealer is carried out by using the quadratic sequence planning method and the Taguchioptimization method.The optimal structural dimension of the elastic seal body is determined by comparing the results of the two optimization methods.The indoor test shows that the structural dimension and function of the elastic seal body determined by the two optimization methods are well agreeable with the test results，verifying the reliability of the optimization solution.

continuous tube；lifting and lowering under pressure；wellhead sealing device； elastic seal body；dimension optimization；indoor test

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.014

傅登伟（1990-），男，四川彭州人，2015年毕业于中国石油大学（华东）机械工程专业，现在从事井口及配套装置应用研究工作。Email：fdw1990227@163.com

2017-07-15