套管氦气密封检测封隔器及工装设计

郑　璐，白晓捷

(大庆油田钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)①



套管氦气密封检测封隔器及工装设计

郑璐，白晓捷

(大庆油田钻探工程公司 钻井工程技术研究院，黑龙江 大庆 163413)①

摘要：阐述了大庆油田氦气密封检测技术现状及应用该技术的重要性，介绍了氦气密封检测封隔器的整体结构尺寸、各部件的设计、核心技术研发、核心部件的强度校核。经现场试验验证：氦气密封检测封隔器满足大庆油田套管气密性检测的应用条件。

关键词：密封检测；封隔器；套管；氦气

为保障入井油套管的密封性，国内各气田和储气库在完井油层套管和生产管柱中广泛应用气密封螺纹油套管，特别是在一些高压气井、H2S井、CO2井或是人口稠密地区井。入井的上百根套管中，任何一根套管因任何一个因素出现问题，最终都有可能产生泄漏。而螺纹密封性不合格是井口带压或漏气的根源之一。气密封检测技术能在每根套管连接后进行检测，有效剔除泄漏的油套管螺纹，及时对入井不密封螺纹的油套管做出预报及更换，避免因螺纹泄漏导致的经济损失。

1970年，美国首先将氦气检漏技术应用于油套气密封性检验。目前，国外能够进行气密封检测的公司比较多，如Cameron Company、Shaffer Company等，这些公司使用气密封检测系统的时间都比较早，相对来说技术比较成熟。为最大限度降低特殊气密封性螺纹泄漏而造成事故的潜在风险，对特殊螺纹的气密封检测在北美、墨西哥及南美的大部分油田已成为强制性检测要求。

石油工业井控装置质量监督检验中心从1994年开始调研，1998年正式向中国石油天然气集团公司提出立项。目前，国内气密封检测设计及服务技术较成熟的是安东石油集团的气密封检测部，共有检测设备9套，在塔里木油田、中石化西北局、中石油西南油田分公司、中石化西南分公司、吉林油田、大庆油田累计检测100多井次，3万多螺纹次，800个泄漏点，分布在29个井次，所检井后期生产均正常。

1氦气密封检测封隔器

1.1简介

氦气密封检测装置由压力源、管道和安全设施等组成[1]，如图1所示。气密封检测技术是在井口连接套管接箍后，使用检测设备对接箍进行密封泄漏检测，确保入井气密螺纹无泄漏的一项新技术。封隔器是完成检测的关键设备，如果封隔器出现任何瑕疵都会导致检测失败。气密封检测采用的试压介质为氦气和氮气的混合气体，通常检测过程中氦气和氮气的混合比例为 1∶7。 氦气为探索气体，由于氦气分子直径很小，仅比氢分子大，在气密封螺纹中易渗透，对油套管无腐蚀，是无毒安全的惰性气体[2]。

1.2组成及工作原理

封隔器是油田钻采工艺中重要的井下工具之一[3]，检测用双向封隔器主要由上接头、PCR、骨架、胶筒、滑套、上下活塞杆、旁通主体、限压泄压阀、工具引鞋等组成。

图1　氦气密封检测装置

1—工具引鞋；2—上接头；3—锥环；4—PCR；5—骨架；6—O型圈；7—O型圈；8—上活塞杆；

技术原理：检测气体通过上活塞杆、旁通主体管道、下活塞杆，加压推动活塞头坐封胶筒，居中卡瓦卡死形成密闭环形空间，实现坐封。继续加压检测气体推动限压阀使限压阀打开，气体通过旁通主体侧孔进入密闭环形空间，开始检测。测试完毕后，空间充满氦气，此时开始降压，泄压阀打开放气。直至泄压结束，同时坐封解除。

1.3实现可靠气密封检测的技术关键

1)可靠密封技术。封隔器胶筒是通过轴向压缩力紧贴在封隔器套管壁上起密封作用，其密封性能直接制约使用性能。胶筒与套管接触所产生的接触应力是胶筒承受工作压差的必要条件[4]。

2)限压坐封技术。检测气体通过胶管进入封隔器，由于限压阀作用在未达到额定压力时，处于关闭状态，气体推动活塞使胶筒压缩，实现坐封，继续加压检测气体推动限压阀使限压阀打开，气体通过侧孔进入密闭环形空间。

3)泄压解封技术。检测结束后，通过外部设备给气体泄压，限压阀打开时通过限压阀放气，压力降到额定压力后限压阀关闭，此时降压，在封隔器坐封形成的密闭空间和气体通道之间形成压差，并作用在泄压阀两端，当压差达到一定时，泄压阀打开放气直到压差为0时关闭。在气体没有泄压到坐封完全解除之前，会周期性地在泄压阀两端产生压差，所以泄压阀做周期性的往复运动。

1.4技术参数

封隔器技术参数如表1。

表1　封隔器技术参数

1.5强度校核

1.5.1旁通主体承内压强度校核

安全系数为

式中：n为安全系数；[σ]为许用应力，取980MPa；σ为实际承受应力，MPa；p为实际承受内压，MPa；D为旁通主体内径，mm；δ为旁通主体壁厚，mm。

1)注入端。p=105MPa，D=10mm，δ=4.5mm。

2)工作端。承受最大压差p=20 MPa，D=70 mm，δ=10.5 mm。

3)特殊情况。内外承压p=105 MPa，139.7 mm封隔器外径D=113 mm，壁厚δ=14 mm。

同理114.3 mm封隔器n=2.15(D=91 mm，δ=10.5 mm)。

177.8 mm封隔器n=2.03(D=147 mm，δ=6 mm)。

安全系数大于2，强度满足要求。

1.5.2旁通主体在极限压力下Ansys应变分析

将IGE格式Solidworks的“旁通主体”三维模型导入ANSYS12软件中，材质选用Solid Quad 4node 42，设置弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，两端面定位，内表面整体承受内压2.0×108Pa，网格选用5级智能划分。旁通主体的校核如图3～5。

图3　旁通主体三维模型

图4　200 MPa内压载荷施加

图5　应力应变图

由图5可见，旁通主体在极限内压200 MPa下，处于弹性变形范围，强度在安全范围之内。

2装卸工装

设备关键部件PCR及骨架由于金属与胶环的紧凑组合结构导致气密封胶环无法安装，而整体更换成本较高，因此设计了一套气密封胶环专用拆卸工装。拆卸时1人10 min即可轻易完成，提高了工作效率。研制的气密封封隔器胶环安装工装，可直接在钻井现场对骨架式气密封胶环进行安装。

封隔器胶环安装工装由初期压盖、主压盖、弹力环、导引锥、紧固螺杆、安装座、底座及套管护丝组成，如图6。

图6　封隔器胶环安装工装

3试验

3.1功能试验

139.7 mm氦气密封检测封隔器完成装配后，模拟现场使用条件对该总成进行了一系列功能性试验，如表2。试验结果表明，该封隔器各项功能达到了现场使用需求。

表2　功能试验记录

3.2现场试验

2015-08-17，139.7 mm氦气密封检测封隔器在徐深6-平1井使用。无需更换即可与现有气密封检测设备配套使用，安装操作工艺与原封隔器相同。

现场累计工作30 h，测试210根。现场试验表明，该氦气密封检测封隔器强度及密封性满足现场使用要求，如表3。

表3　现场试验数据

4结论

1)油管螺纹气密封检测技术检测压力可达到70～140 MPa，满足超高压气井生产的需要，同时其氦气检测灵敏度高，检测快捷，具有很强的技术优势[5]。

2)该气密封封隔器解决了密封、限压、分步泄压等关键技术，试验效果可靠。

3)现场试验表明，该氦气密封检测封隔器强度及密封性满足现场使用。

4)为解决在高压下无法解封的隐患，可在封隔器本体内部设计1条放气回路，进一步提高安全性。

参考文献：

[1]张斌.采气井口气密封检测研究[J].西南石油学院学报，2003，6(6)：72-74.

[2]林勇，薛伟，李治，等.气密封检测技术在储气库注采井的应用[J].油气田开发，2012，1(30)：56.

[3]张立新，沈泽俊，李益良，等.我国封隔器技术的发展与应用[J].石油机械，2007，35(8)：58-74.

[4]李晓芳，杨晓翔，王洪涛.封隔器胶筒接触应力的有限元分析[J].润滑与密封，2005，9(5)：90-92.

[5]刘啸峰，陈实.气密封检测技术在高压深井中的应用[J].内蒙古石油化工，2010，26(23)：23-82.

Casing Helium Gas Seal Test Packer and Tooling Design

ZHENG Lu，BAI Xiaojie

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstitute，DaqingOilfieldDrillingEngineeringCompany，Daqing163413，China)

Abstract：The helium seal detection technology in Daqing oilfield is expounded the importance of the application of the technology，the independent research and development of the core components of helium leak detection of packer's overall structure design，the design of the various components，key technology R & D，strength check，the field test results are summarized.The field test of helium leak detection application of detecting casing packer meet the tightness of the Daqing oil field conditions.

Keywords：tightness detection；packer；casing；helium

中图分类号：TE931.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.011

作者简介：郑璐(1989-)，男，黑龙江大庆人，现从事欠平衡钻井技术研究，E-mail：prayerpeace@163.com。

收稿日期：①2015-09-15

文章编号：1001-3482(2016)03-0051-04