注水井生产封隔器液压坐封球座的研制

张继永，李越，李英松，陈磊，时营磊，于冲，张洪波

（中海油田服务股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在油气田生产中，通常利用封隔器坐封在套管或裸眼中，用于封隔管柱之间或管柱与井眼之间的环形空间，阻止环形空间内流体流动，从而达到稳定注采的目的。封隔器根据不同的使用需求有以下几种应用：1）封隔套管射孔段或裸眼段，满足分层防砂、储层改造、控水堵水等作业需要；分层开采，防止层间流体窜通、压力干扰，满足采油（气）井生产和注水的封隔作用。2）封隔油管与套管环空，起到保护套管和安全生产的作用。3）悬挂管柱的作用[1]。封隔器的种类有很多，按照坐封方式分为提放管柱坐封封隔器、转动管柱坐封封隔器、自封封隔器、液压坐封封隔器、井下服务工具坐封封隔器、热力封隔器等。其中液压坐封封隔器坐封程序简单、结构可靠，在油气井注采过程中应用较为广泛[2]。对液压坐封封隔器通常需要对封隔器进行憋压，在油气井注采过程中普遍采用投捞堵塞器[3]或投球剪切球座[4]的方式配合井口打压进行封隔器的坐封。

在油气田开发过程中，通常利用注水井向油层注水，以达到提高油气田产量的目的。注水作业中需要下入生产封隔器以解决环空带压问题并起到保护套管的作用，生产封隔器属于压缩式封隔器，坐封方式为液压坐封。利用钢丝作业投捞堵塞器的方式坐封生产封隔器会占用井口时间并需要大量的人力物力，且受井斜限制，大位移井、水平井作业难度大。利用常规的球座配合钢球对生产封隔器进行封堵憋压以坐封生产封隔器，球座打落后需要进行反洗作业以将钢球冲返井口，防止阻塞井筒，采用此种方式坐封生产封隔器容易导致坐封球离开球座内锥面后会连同内筒一起掉落，容易堵塞通道，形成井底落鱼，甚至会造成卡钻的风险，给后续的作业增大难度，且剪切后需要反洗作业，作业步骤繁琐[5]。为此，需要一种井下生产封隔器坐封工具来优化注水管柱生产封隔器坐封过程，以达到简化作业步骤、缩短作业时间、增大井筒适用性的目的。

1 结构组成和工作原理

液压式坐封球座配套可溶球，应用于注水井管柱生产封隔器的坐封。坐封球座内置桥式通道，生产封隔器坐封打落球座后，流体可通过桥式通道通过，可溶球溶解后可恢复管柱通径。

1.1 结构组成

液压式坐封球座由上接头、下接头、球座、内套、可溶球[6]、剪钉、密封圈、紧固螺钉等零部件组成，如图1所示。

1.2 工作原理

液压式坐封球座工作原理示意如图2所示，液压式坐封球座内置桥式通道，配套可溶球使用，可用于注水管柱生产封隔器的坐封。该工具上下与油管连接，随油管下入，安装在注水管柱的生产封隔器下端。生产封隔器坐封之前，管柱内液体可通过主通道及桥式通道。当需要坐封生产封隔器时，由井口油管投入可溶球，连接打压装置，将可溶球追球到位坐落到液压式坐封球座的密封面，使得球座密封型面以上部分成为死腔，打压至生产封隔器设计坐封压力并保压足够时间。当生产封隔器充分坐封之后，持续打压使得球座的剪钉剪断，支撑可溶球的球座向下移动，桥式通道打开，此时可溶球尚未溶解，主通道关闭，流体可通过桥式通道流动，不影响管柱过流。当可溶球溶解到外径小于球座内径时，可溶球落至井下，直至完全溶解，此时主通道和桥式通道均可过流。

图2 液压式坐封球座工作原理示意

2 坐封球座强度分析

2.1 坐封球座静力学分析

液压式坐封球座随油管下入，作业及生产过程中在井下受力情况复杂，最危险工况会有高强度拉伸、扭转、外压载荷。综合分析液压式坐封球座各零部件，为增大过流面积，液压式坐封球座的下接头部分存在变径且壁厚较薄，相对于其它零部件，液压式坐封球座下接头属于最为薄弱部件，在薄弱位置会出现局部屈服和危险截面的局部区域应力集中。故对液压式坐封球座下接头主要承受的拉、扭、外压3种载荷进行逐一分析，为简化分析计算过程，略去摩擦力、弯矩、摩擦力矩等次要因素[7]。

2.1.1 坐封球座下接头受拉伸力学模型

液压式坐封球座下接头抗拉强度[8]计算公式为

式中：σ为液压式坐封球座下接头受轴向力产生的拉伸应力，MPa；F为液压式坐封球座下接头所受轴向拉力，N；D为液压式坐封球座下接头外径，mm；d为液压式坐封球座下接头内径，mm。

2.1.2 坐封球座下接头受拉扭转力学模型

液压式坐封球座下接头属于空心圆轴，由材料力学知识可知最大扭转切应力[7]为

式中：τmax为液压式坐封球座下接头所受的最大扭转切应力，MPa；T为液压式坐封球座下接头所受的扭转力矩，N·m；R为液压式坐封球座下接头最大半径，m；Ip为截面极惯性矩，cm4。

2.1.3 坐封球座下接头受外压力学模型

液压式坐封球座下接头属于空心圆轴，其径比K＞1.1～1.2，为厚壁圆筒，其三向应力表达式[9]为：

式中：σr为液压式坐封球座下接头径向应力，MPa；σθ为液压式坐封球座下接头周向应力，MPa；σz为液压式坐封球座下接头切向应力，MPa；pi为液压式坐封球座下接头所受内压，MPa；p0为液压式坐封球座下接头所受外压，MPa；Ri为液压式坐封球座下接头内径，mm；R0为液压式坐封球座下接头外径，mm。

2.2 坐封球座下接头有限元分析

2.2.1 坐封球座下接头有限元分析模型

由式（1）～式（3）可得出液压式坐封球座下接头在受拉力、扭转液压式坐封球座和外压载荷工况下的力学模型。以上下扣型为3-1/2 in EUE BOX～3-1/2 in EUE PIN、最大外径为136 mm、最小内径为96 mm、长度为460 mm的液压式坐封球座为例对其进行有限元分析。已知该工具极端工况下所受最大拉力为921 kN，最大扭转力偶矩为5310.4 N·m，最大外压为21 MPa。

2.2.2 坐封球座下接头有限元结果分析

将液压式坐封球座下接头导入ANSYS Workbench模块，并对其进行网格划分，网格划分结果如图3所示。其中网格划分方法选择“Tetrahedrons”，网格划分平均质量为0.789 39。

图3 液压式坐封球座下接头网格划分

液压式坐封球座材料选用42CrMo，材料密度为7.85 g/cm3，弹性模量为212 GPa，泊松比为0.28，屈服极限为930 MPa。在ANSYS Workbench模块中对液压式坐封球座下接头根据工况施加载荷关系，加载采用组合加载方式，最大拉力为921 kN，最大扭转力矩为5310.4 N·m，最大外压为21 MPa。

液压式坐封球座下接头仿真求解的应力分布云图如图4所示。由应力仿真计算结果可知，在组合载荷下液压式坐封球座下接头所受最大应力为859.36 MPa，小于液压式坐封球座本体材料的屈服极限应力930 MPa，本体大部分应力小于307.04 MPa，其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符，在紧固螺钉安装孔附近产生应力集中现象，并且远离圆孔区域上的应力也随之减小[7]。

图4 液压式坐封球座下接头应力分布图

液压式坐封球座下接头仿真求解的应变分布如图5所示。由应变仿真计算结果可知，在施加组合载荷的作用下，液压式坐封球座下接头最大变形量为0.283 92 mm，发生在上端部，此处最大变形量仍然处于材料弹性变形阶段。由整体应变仿真结果可知，在组合载荷的作用下，液压式坐封球座下接头具有一定的刚度，能够满足液压式坐封球座的设计要求。

图5 坐封球座下接头仿真求解的应变分布

3 坐封球座试验验证

3.1 试验背景

海上某注水井管柱工具压力等级21 MPa，管柱涉及生产封隔器，生产封隔器坐封过程中需满足阶梯稳压，即打压3 MPa稳压5 min、打压10 MPa稳压5 min、打压17 MPa稳压15 min，封隔器稳压结束，继续打压至球座剪钉剪断，最大压力不超过21 MPa，球座剪钉剪断后可进行注水作业。

3.2 试验分析

1）将坐封球座上下两端分别连接试压工装，进行本体压力等级测试，打压至21 MPa，试验曲线如图6所示。由图6曲线可知，打压至21 MPa坐封球座可稳压，说明坐封球座满足压力等级要求。

图6 坐封球座本体压力等级测试曲线

2）将坐封球座正放，投入可溶球后在上接头端连接试压堵头，试验实物连接如图7所示。坐封球座阶梯保压及剪切测试曲线如图8所示。由图8测试曲线可知，坐封球座可实现3、10、17 MPa阶梯稳压，当打压至20 MPa球座剪切，桥式通道过流。

图7 试验实物连接图

图8 坐封球座阶梯保压及剪切测试曲线

由以上试验结果可以看出，所设计的坐封球座可满足该注水井压力等级下生产封隔器正常作业的坐封需求。球座剪切后球座不再憋压，液体由桥式通道流向下端，球座剪切后可进行正常注水作业。

4 结论

1）对坐封球座进行了结构设计，并详细阐述了该工具的工作原理，该工具可用于注水管柱生产封隔器的坐封，并且能够保证生产封隔器充分坐封的同时减少作业时间、优化作业步骤、增大井筒适用性。

2）采用ANSYS Workbench软件对液压式坐封球座在实际的工况下进行仿真分析，仿真结果表明，在极限工况下液压式坐封球座应力小于材料许用安全强度，所设计液压式坐封球座结构在强度上能够满足实际工况下的正常使用要求。

3）经试验验证，所设计坐封球座可满足注水管柱压力等级要求，可应用于注水井生产封隔器的坐封。