遇油膨脹封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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1、 遇油膨脹封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 摘 要：本文針對(duì)封隔器的密封性判據(jù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在對(duì)Swellpacker在井下的接觸壓力分布進(jìn)行了有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，建立了封隔器的膨脹模型和封隔性能與膠筒長度和厚度的兩元非線性模型，得出了不同巖性地層的Swellpacker最優(yōu)膠筒結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，依據(jù)川東北地區(qū)元壩101井封隔器模型，得出不同巖性地層下的最佳的膠筒厚度為18mm；砂巖地層模型的膠筒長度為1.173m，頁巖地層模型的膠筒長度為1.402m，泥巖地層模型的膠筒長度為1.415m，經(jīng)應(yīng)力校核最優(yōu)結(jié)構(gòu)的膠筒未發(fā)生應(yīng)力破壞，可以在井下安全封隔。在實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)遇油膨脹封隔

2、器在相應(yīng)油樣中的實(shí)際膨脹率來確定膠筒膨脹前的結(jié)構(gòu)尺寸。 關(guān)鍵詞：Swellpacker；膨脹；應(yīng)力；巖性；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 0 引言 遇油膨脹封隔器（Swellpacker）是一種新型的自膨脹封隔器[1]，其膨脹機(jī)理是橡膠的熱動(dòng)力特性[2]使內(nèi)部高分子結(jié)構(gòu)擴(kuò)張容許液態(tài)烴進(jìn)入高分子結(jié)構(gòu)中，其膨脹具有連續(xù)性，可封隔不規(guī)則井壁[3]，水平井井段[4]替代注水泥工作，對(duì)于常規(guī)的封隔器來說具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)和施工簡單，封隔可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能有效增加完井效率和質(zhì)量，降低完井成本[5,6]，是未來封隔器發(fā)展的主要方向。 國外學(xué)者的研究主要集中在不同溫度和壓力、不同化學(xué)組分對(duì)膨脹橡膠的的膨脹影響[7

3、]、現(xiàn)場應(yīng)用[8,9]等方面，國內(nèi)的研究主要是遇油膨脹橡膠的室內(nèi)膨脹實(shí)驗(yàn)[10-12]，研究相對(duì)還不成熟。 目前國內(nèi)外確定Swellpacker膠筒的結(jié)構(gòu)尺寸主要依靠經(jīng)驗(yàn)，哈利伯頓、威德福等公司Swellpacker膠筒的長度在0.5m~5m不等，這種經(jīng)驗(yàn)方法沒有確切考慮封隔器在井下的封隔性能，也沒有將地層巖性的影響考慮在內(nèi)，實(shí)際中地層巖性對(duì)封隔器的封隔性能具有不可忽視的影響，而依據(jù)封隔器的密封性判據(jù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[13]，在考慮封隔器封隔性、地層完整性和封隔器膠筒安全性等綜合因素的影像下，利用有限元模擬[14]的方法進(jìn)行不同巖性地層的Swellpacker的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有簡單、主觀因素少的優(yōu)

4、點(diǎn)，為此本文采用有限元方法對(duì)Swellpacker在井下壓力下不同巖性地層的接觸壓力進(jìn)行了計(jì)算，以建立一種在不同巖性地層的Swellpacker膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案為研究目標(biāo)。 1 Swellpacker膠筒的膨脹模型 本文有限元計(jì)算中，分別計(jì)算了不同膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)下封隔器與地層的接觸壓力和膠筒應(yīng)力，膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為膠筒膨脹后的長度和與地層井壁的過盈配合厚度（過盈厚度即是膠筒膨脹后與地層產(chǎn)生過盈配合的那段膠筒厚度），因此需要建立膠筒膨脹前的長度、厚度與膨脹后的長度、過盈厚度之間的數(shù)學(xué)模型，本文依據(jù)元壩101井封隔器下深建立模型，其中井眼尺寸=241mm，套管外徑=193.7mm，長度膨脹率

5、=1.23，厚度膨脹率=1.40[14]，以下為建立的數(shù)學(xué)計(jì)算模型： （1）膠筒膨脹前的長度與膨脹后的長度的關(guān)系如下所示： （1） 為膠筒膨脹前的長度，m；為膨脹后的長度，m；為膠筒的長度膨脹率（>1）。 （2）膠筒膨脹前的厚度和過盈厚度的關(guān)系如下： （2） 式中，為膠筒膨脹前的厚度，mm；為過盈厚度，mm；為井眼尺寸，mm；為套管外徑，mm；為膠筒的厚度膨脹率（>1）。 在實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)遇油膨脹封隔器在相應(yīng)油樣中的實(shí)際膨脹率來確定膠筒

6、膨脹前的結(jié)構(gòu)尺寸。 2 不同巖性地層的膠筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化 本文中建立的有限元模型按照川東北氣井元壩101井Swellpacker下入的位置（自流井組）進(jìn)行建模，尺寸為中心管直徑φ193.7mm，井徑φ241mm?？紤]Swellpacker在井下上下承受一定工作壓差。由于Swellpacker在元壩101井中下深4564.38-4575.31m，因此井下壓力大約40MPa，要求封隔器要具有承受20MPa壓力的能力，因此建立膠筒上方承受壓力40MPa，膠筒下方承受壓力40~60MPa。 有限元分析中，地層巖石的材料模型選擇DP模型，膠筒材料的模型采用M-R模型，單元類型中膠筒采用超彈單元HYPE

7、R182，中心管和地層采用平面PLANE42單元，網(wǎng)格化分采用自由網(wǎng)格化分。膠筒和中心管、地層之間都建立接觸，接觸面用CONTA175接觸單元，目標(biāo)面用TARGE169接觸單元。膠筒的有限元模型的建立、網(wǎng)格化分及邊界條件的處理詳見文章“遇油膨脹封隔器膠筒力學(xué)模擬分析”[15]。 井下要求封隔器能夠絕對(duì)有效的封隔上下部壓力，本文認(rèn)為只要膠筒與井壁的接觸壓力大于膠筒下方壓力，我們就可以認(rèn)定此種情況下膠筒能夠有效的封隔上下部壓差[16]。在井下封隔器工作的壓力環(huán)境下，要想評(píng)價(jià)封隔器工作的可靠性，需要建立一個(gè)評(píng)價(jià)封隔器封隔可靠性的指標(biāo)。 為此我們?cè)谶@里引入了封隔安全系數(shù)（）這一參數(shù)，定義其為膠筒在

8、上下壓力下的最大接觸壓力與膠筒下方壓力的比值。如果所得的封隔安全系數(shù)大于1，我們就可以認(rèn)定封隔器能夠絕對(duì)有效封隔上下氣竄壓力。 通過ANSYS有限元分析方法，分別計(jì)算了封隔器在上方壓力40MPa和下方壓力60MPa作用下、不同膠筒長度和過盈厚度下、不同巖性下的膠筒與地層的接觸壓力[16]，通過兩元非線性回歸可以建立不同巖性地層下封隔安全系數(shù)與膠筒膨脹前的長度和厚度的兩元非線性回歸模型[16]： （1）砂巖： （R2=0.998579） （3） （2）頁巖： （R2= 0.989735） （4） （3）泥巖： （R2=0.994717） （5） 式（3）、（4）、（5）中為封隔安全系數(shù)

9、；為膠筒膨脹前的長度，m；為膠筒膨脹前的厚度，mm。 在理想的情況下，只要封隔安全系數(shù)>1即表示封隔器能夠封隔上下壓差，為保證Swellpacker 在井下能夠安全可靠封隔，取可靠的封隔安全系數(shù)=1.2。 膠筒膨脹后的厚度既要保證貼緊井壁有保證能夠入井，因此取最佳膠筒厚度=18mm（此時(shí)膠筒與地層的過盈厚度=1.55mm，膠筒與地層的間隙5.65mm，可以保證封隔器順利下井）。 當(dāng)封隔安全系數(shù)=1.2、膠筒厚度=18mm時(shí)，可以根據(jù)非線性回歸模型-式（3）、（4）、（5）分別計(jì)算出在不同巖性地層下的最佳膠筒長度： （1）砂巖： =1.173m； （2）頁巖： =1.402m； （3

10、）泥巖： =1.415m。 據(jù)以上計(jì)算結(jié)果得出在不同巖性地層下的最佳的膠筒結(jié)構(gòu)：膠筒的厚度為18mm；砂巖地層模型的膠筒長度為1.173m，頁巖地層模型的膠筒長度為1.402m，泥巖地層模型的膠筒長度為1.415m。此時(shí)封隔安全系數(shù)=1.2。 在實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇合理的封隔安全系數(shù)來確定Swellpacker最佳的膠筒結(jié)構(gòu)。 3 膠筒的應(yīng)力校核 封隔器要想在井下完成預(yù)期的封隔效果，必須要保證封隔器的膠筒在井下壓差不發(fā)生應(yīng)力破壞，因此為保證Swellpacker膠筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可靠性，本節(jié)建立了不同地層巖性的膠筒最大應(yīng)力與膠筒結(jié)構(gòu)的非線性回歸模型[16]： （1）砂

11、巖： （R2=0.951812） （6） （2）頁巖： （R2= 0.949578） （7） （3）泥巖： （R2=0.949502） （8） 式（6）、（7）、（8）中為膠筒最大應(yīng)力，（MPa）；為膠筒膨脹前的長度，m；為膠筒膨脹前的厚度，mm。 據(jù)式（6）、（7）、（8）可以計(jì)算出不同膠筒結(jié)構(gòu)下、不同地層巖性的膠筒最大應(yīng)力，由于Swellpacker 膠筒的壓縮永久變形強(qiáng)度23.9MPa，取值=23.9MPa，上述四種地層巖性中最優(yōu)膠筒長度和厚度下，分別計(jì)算出最優(yōu)膠筒結(jié)構(gòu)下的膠筒應(yīng)力，據(jù)分別計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力安全系數(shù)如下： （1）砂巖： =7.0904MPa， =

12、3.3707； （2）頁巖： =6.9756 MPa， = 3.4262； （3）泥巖： =6.7185MPa， = 3.5573。 計(jì)算結(jié)果表明，不同地層巖性下最優(yōu)膠筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力安全系數(shù)都大于1。因此，以上最優(yōu)結(jié)構(gòu)的膠筒未發(fā)生應(yīng)力破壞，Swellpacker可以在井下安全封隔。 4 結(jié)論及建議 （1）依據(jù)川東北地區(qū)元壩101井封隔器模型（針對(duì)于自流井組），確定的最優(yōu)Swellpacker膠筒厚度為18mm；砂巖地層模型的膠筒長度為1.173m，頁巖地層模型的膠筒長度為1.402m，泥巖地層模型的膠筒長度為1.415m。經(jīng)應(yīng)力校核最優(yōu)結(jié)構(gòu)的膠筒未發(fā)生應(yīng)力破壞，Swellpack

13、er可以在井下安全封隔。 （2）在實(shí)際應(yīng)用中，建議根據(jù)遇油膨脹封隔器在相應(yīng)油樣中的實(shí)際膨脹率來確定膠筒膨脹前的結(jié)構(gòu)尺寸。 參考文獻(xiàn) [1] Jose Noguera，Leopoldo Sierra，Thomas Jorgensen．First Coiled Tubing Swellable-Packer Deployment in the Middle East．SPE 121434，2009 [2] Martijn Kleverlaan，Roger. H. van Noort，and Ian Jones．Deployment of Swelling Elastomer Packe

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23、cker膠筒結(jié)構(gòu)。 Optimization of Swellpaker Rubber Structure of Different Formation MA Ming-xin1，BU Yu-huan2，Lu Ming-zhao1，Lu Zhiping1 （1. Shengli Petroleum Administration Bureau,Dongying, 257017 2. China University of petroleum ,Qingdao,China，266555） Abstract: According to t

24、he sealing property judgement and the structure design method of packer, this paper analyzed the contact pressure and stress distribution of swellpaker rubber by FEM, and founded the swelling model and the nonlinear math model between sealing property and rubber structure accordingly, and optimized

25、the swellpacker rubber structure of different formation. According to the Packer in well Yuanba 101 in north east of Sichuan province, final optimized Swellpacker structure is thickness of 18mm with length of 1.173m under sandstone formation、1.402m under shale formation and 1.415m under mudstone for

26、mation. Conformed by checking rubber stress, it could isolate gas migration safely. In the actual application,the optimum rubber structure is suggested to achieveing by the actual swelling ratio in the corresponding oil sample. Key words: Swellpaker; Swell; Stress; Formation; Structure optimization