扩张式封隔器性能测试装置的设计*

□ 谷 磊

中国石化石油工程技术研究院 北京 100101

1 设计背景

扩张式封隔器坐封后,能够对位于下部的环空进行密封。为提高密封性能和保护胶筒,在扩张式封隔器胶筒上端设计了护肩机构。护肩机构能够在胶筒胀封时产生塑性变形,与井壁形成摩擦力,防止胶筒承压后产生位移和挤出变形。常规入井试验受井筒结构限制,只能进行上环空试压,无法真实测试扩张式封隔器的工作状态。并且对于上提解封扩张式封隔器而言,上环空试压容易导致封隔器提前发生解封动作。扩张式封隔器需要在一定井眼范围内坐封,如外径为178 mm的扩张式封隔器,需要在内径为241 mm的井筒内坐封,由于存在10%井眼扩大率,这一封隔器在内径为265 mm的井筒内同样需要能够坐封。

由以上介绍可知,扩张式封隔器的性能与现场试验都有较高的要求。对此,笔者设计了扩张式封隔器性能测试装置,用于模拟实际井况,充分测试扩张式封隔器的性能[1-5]。

2 扩张式封隔器结构

扩张式封隔器结构如图1所示。扩张式封隔器通过胶筒进液膨胀,实现环空密封。扩张式封隔器工作时,由中心管进液孔进液。中心管内憋压超过启动剪钉设定值后,剪断启动剪钉,单向阀向右运动,使液体进入胶筒,进而使胶筒膨胀。膨胀达到设定压力值后,胶筒完全坐封。坐封后中心管内停止进液,并开始泄压,单向阀在弹簧的作用下复位并密封,使胶筒内部保持压力,从而保持坐封状态。扩张式封隔器胶筒护肩机构采用延展性较好的金属塑性材料,并设计为锯齿结构。扩张式封隔器胀封过程中,护肩机构产生变形,并紧贴井壁,增大扩张式封隔器与井壁的摩擦力。护肩机构变形后开口朝向胶筒,防止胶筒受到下部环空高压而发生破坏、挤出[6-7]。扩张式封隔器解封时,上提中心管,使胶筒腔体内的液体由泄压孔与管外连通,进而使胶筒腔体内的高压释放,由此胶筒恢复到坐封前的状态,扩张式封隔器实现解封[8]。扩张式封隔器的外径为178 mm,需要在内径为241～265 mm的井筒内实现坐封。

3 扩张式封隔器性能测试装置结构

根据扩张式封隔器的结构及工作条件,设计了扩张式封隔器性能测试装置,能够模拟真实井况条件,实现对扩张式封隔器坐封和解封性能进行测试[9-10]。测试装置由坐封封头、解封封头、套管、验封封头、堵头等组成,如图2所示。测试过程中,将扩张式封隔器放入套管中,扩张式封隔器两端分别连接坐封封头、堵头,并形成密封。解封封头和验封封头通过螺纹与套管两端连接固定,同样形成密封。通过坐封封头进液,使胶筒进液加压,实现对扩张式封隔器进行坐封测试。通过验封封头进液加压,实现对扩张式封隔器进行验封测试。通过解封封头进液加压,实现对扩张式封隔器进行解封测试。

4 坐封测试

扩张式封隔器组装好后,放入内径为241 mm的套管内,并连接各个封头。坐封过程中,液体经过坐封封头进入中心管,并通过加压泵加压。压力达到设定值后,剪断启动剪钉,单向阀向右运动,液体进入胶筒内部,使胶筒发生膨胀。胶筒内部承压达到15 MPa,并保持5 min,确保扩张式封隔器完全胀封,然后停泵泄压。泄压后,单向阀在后端弹簧的作用下复位,使胶筒内部继续保持高压,从而使胶筒保持坐封状态。扩张式封隔器坐封状态如图3所示。

5 验封测试

扩张式封隔器坐封后,胶筒膨胀,将套管分为上部环空与下部环空。验封测试时,通过对下部环空进液加压,验证扩张式封隔器及其胶筒的密封压力。扩张式封隔器验封状态如图4所示。

液体由验封封头进入套管与扩张式封隔器之间的下部环空,如箭头所示。液体充满后,逐渐增大压力,最终达到20 MPa,并保持15 min以上,扩张式封隔器成功实现坐封,密封压力曲线如图5所示。为了验证扩张式封隔器在内径265 mm井筒内的坐封性能,将内径为241 mm的套管更换为内径为265 mm的套管,并更换配套的解封封头及验封封头,进行坐封及验封测试。通过测试确认密封压力仍可达到20 MPa,可见扩张式封隔器在内径为241～265 mm的井筒内密封压力均可达到20 MPa,超过设计指标(15 MPa)。

▲图1 扩张式封隔器结构▲图2 扩张式封隔器性能测试装置结构▲图3 扩张式封隔器坐封状态▲图4 扩张式封隔器验封状态

▲图5 扩张式封隔器密封压力曲线

6 解封测试

常规扩张式封隔器性能测试装置不具备解封功能。在完成坐封后,需要通过拉伸试验机使套管和中心管产生相对运动并超过解封剪钉设定值,进而使中心管泄压孔与胶筒连通。胶筒高压液体由泄压孔排出，实现解封。笔者设计的扩张式封隔器性能测试装置具备解封功能,通过对胶筒与中心管的上部环空进行加压,即可实现胶筒与中心管产生相对运动,不再需要使用拉伸试验机。扩张式封隔器解封状态如图6所示。液体通过解封封头进入上部环空,如箭头所示。液体充满上部环空后,增大上部环空压力。中心管两端与套管固定,包括胶筒在内的中心管以外部件产生向下运动的推力,达到解封剪钉设定值时,使胶筒与中心管泄压孔连通并泄压,进而实现解封。扩张式封隔器解封测试现场如图7所示。

▲图7 扩张式封隔器解封测试现场

▲图6 扩张式封隔器解封状态

7 结束语

为满足扩张式封隔器性能测试的需求,设计了能够实现扩张式封隔器坐封和解封性能测试的扩张式封隔器性能测试装置。应用这一性能测试装置对外径为178 mm的扩张式封隔器进行测试,确认该扩张式封隔器在内径为241～265 mm的井筒内密封压力均可达到20 MPa。与此同时,这一性能测试装置具备解封功能,简化了测试流程,提高了测试效率,具有推广应用价值。