卡瓦悬挂器密封失效与改进研究

刘洋,练章华,何勇，杜锋辉，匡生平

(1.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500；3.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000)

0 前言

塔里木油田气藏主要集中在天山南坡山前条带状构造上，是世界上少有的超高压气藏富集区域，其储层埋藏最深可达7 800 m，地层压力高达150 MPa，井口关井压力高达115 MPa，地层温度最高可达180 ℃，井口温度最高110 ℃，所产天然气中CO平均体积分数为0.97%，且地层水中氯离子含量较高。山前气井属超高压、超深气井，且部分气井为高温、超高压、超深气井，井口安全条件苛刻，相继出现了一些井口安全事件，造成了巨大的经济损失。为了减少井口套管悬挂器密封失效事故，近年来，国内外专家学者对套管悬挂器金属密封结构作了大量研究。曹传文、于成水等针对石油钻井工程中套管柱井口装定载荷的设定和控制方法存在的缺陷，对套管柱受力情况进行了分析，认为在固井水泥浆候凝期间，井下套管柱所受外力存在不确定性，不能据此计算井口装定载荷，相关的行业标准亦存在缺陷。油气开发趋势决定井深越来越深、压力越来越高，对套管头悬挂器结构强度提出了更高的要求，悬挂器系统结构直接影响套管头作业安全。在下放套管过程中，一旦现场发生井壁坍塌等情况，而此时芯轴悬挂器又没有坐挂到位，就需要将芯轴悬挂器立即更换为卡瓦悬挂器，这导致钻井周期因等待时间而延长。因此需要研制新型的金属密封悬挂器，减少失效风险和保证较高的钻进效率。李振涛、肖力彤、申玉壮等研究了Cameron 公司的 MEC油管挂密封装置，通过外载荷作用激发金属密封件膨胀变形来实现接触面间的密封,并完成了105 MPa芯轴式套管悬挂器主要零部件材料力学性能试验，获得了这些结构件材料的力学性能参数，这些研究结论可用于新型悬挂器密封结构材料选型的指导。秦浩智、魏凯、雒晓康等分析了典型的水下井口头装置主要采用金属与橡胶结合方式来完成环空密封功能，研究还发现钻井过程中井口装置长期受到压力波动影响，加速了压力控制元件中橡胶密封结构老化失效的风险，不便于长期在水下进行作业。王永洪等介绍了金属密封结构作为井口装置重要应用，会保护井口装置在高温高压、高腐蚀性的恶劣环境中的长期安全使用，因此加大对井口装置金属密封材料耐高温、耐高压、耐腐蚀的研究力度。

目前，从国内外调研资料发现，对大直径和重载荷套管、高强度套管，卡瓦悬挂套管密封性受套管外径公差、椭圆度、卡瓦挤压套管变形、打滑、卡瓦咬合处套管抗拉强度降低等诸多方面影响。因此本文作者开发一种新型芯轴式悬挂器，该悬挂器在井口安全方面具有显著的优越性，可有效解决勘探开发生产后期中环空带压带来的屏障风险问题，并能够防止井口安全事故的发生。

1 卡瓦悬挂器密封结构失效案例

塔里木库车山前超高压气井已发生30余井次BT(橡胶密封圈)或套管悬挂器卡瓦密封失效，给油田造成了巨大的经济损失和安全隐患。套管坐挂后对密封部位试压合格，完井时再次试压作业，无法起压，判断套管悬挂器密封失效，螺钉出现不同程度松动，见图1。为了更直观分析，将卡瓦密封组件单独取出进行分析(见图2)，卡瓦密封组件主要含有内外密封圈和卡瓦牙结构。

图1 卡瓦结构示意及橡胶失效照片

图2 卡瓦式悬挂器三维实体及胶圈照片

卡瓦组件装配完成后，坐放在井口四通台阶部位，卡瓦牙对套管进行悬挂固定，卡瓦牙对套管有周向和纵向作用力，套管在卡瓦牙作用力下，会产生卡瓦压痕，现场咬痕见图3。这将引起套管局部发生较大的变形和应力集中，最后必然影响套管的强度。

图3 卡瓦悬挂器装配图及套管咬痕照片

2 卡瓦悬挂器密封结构力学行为研究

2.1 卡瓦悬挂器密封结构力学研究

根据图2所示的卡瓦密封结构实际尺寸，建立几何分析模型，包括卡瓦座、四通、卡瓦底座、内外橡胶圈。卡瓦式套管悬挂器实体结构如图4所示，卡瓦材料为20CrMnTi，屈服强度835 MPa，抗拉强度1 080 MPa；卡瓦座材料为35CrMo，屈服强度835 MPa，抗拉强度980 MPa。这几种材料的弹性模量为2.1×10MPa，泊松比为0.3。矩形橡胶密封圈采用Mooney-Rivilin橡胶本构模型。在分析中，载荷与边界条件：在整个分析过程中，悬挂器四通和套管底部为全约束；在卡瓦座上端面施加(5～40)×10N压力载荷，如图4所示。

图4 密封结构装配及载荷与边界条件

2.2 卡瓦密封结构计算结果分析

通过施加下部套管悬重载荷，分析卡瓦密封结构的应力和变形。在不同悬重载荷作用下的密封结构各零部件von Mises 应力分布见图5。可以看出：在套管悬重为1～4 MN时，各零部件最大应力在299.9～889.7 MPa之间变化；随着上部卡瓦座上的载荷增加，下部支撑环受到的应力变化不大，主要是套管内壁和卡瓦座与套管外壁接触部位受到的应力增大比较明显；随着压力增加，变形也逐渐增大，在套管悬重为2～4 MN时，橡胶密封圈发生较大的变形，接触面也相应增大，最后贴紧在芯轴与四通密封面，有效完成密封。

图5 不同压力作用下的密封结构应力云图

从图6得到：在套管悬重为(5～40)×10N时，橡胶圈最大应力在0.15～14.84 MPa之间变化，橡胶圈上端面受压位置应力较大，橡胶圈上部中心部位应力较小；当套管悬重为3 MN时，橡胶圈最大应力达到14.84 MPa；在套管悬重为4 MN时，橡胶圈整体被压缩，橡胶圈上部已经发生较大变形。从图7得到：在套管悬重为(5～40)×10N时，橡胶圈最大应力在0.14～14.75 MPa之间变化，橡胶圈上端面受压位置应力较大，橡胶圈上部中心部位应力较小；当套管悬重为3 MN时，橡胶圈最大应力达到14.75 MPa；在套管悬重为4 MN时，橡胶圈整体被压缩，橡胶圈上部已经发生较大变形。

图6 不同压力作用下的外橡胶圈应力云图

图7 不同压力作用下的内橡胶圈应力云图

根据接触压力分析结果，选取内外橡胶密封结构外表面接触面上的路径，见图6—图7；根据接触压力数据，编辑接触路径上节点接触压力变化曲线，见图8、图9。

从图8、图9得到：当上部施加载荷一定，套管悬重在(5～40)×10N之间变化时，内橡胶圈接触压力在50～200 MPa之间变化，外橡胶圈接触压力在120～240 MPa之间变化，平均接触压力基本达到最小密封比压的要求；随着载荷增加，接触压力也逐渐增大，曲线呈现波浪线变化，有些地方呈现锯齿状突变，会使橡胶产生较严重的变形。

图8 内橡胶圈接触压力变化曲线

图9 外橡胶圈接触压力变化曲线

3 金属密封芯轴悬挂器设计及试验研究

3.1 金属密封芯轴悬挂器设计分析

通过对卡瓦悬挂器密封结构进行力学分析，分析了其失效原因。为了克服卡瓦悬挂器的缺点，提高钻井周期，本文作者设计了一种8 1/8″型芯轴式悬挂器，其主要结构包括上、下部密封结构，见图10。后续对该芯轴式悬挂器开展了压力承载试验和气密封试验，以期在悬重状态下检测140 MPa套管悬挂器的密封情况。

图10 新型密封芯轴式悬挂器

3.2 金属密封芯轴悬挂器实验装置及实验数据分析

试验引用标准包括：API Spec 6A 20版 井口装置和采油树设备，井口装置和采油树，GB/T 22514—2013 石油天然气工业，钻井和采油设备规范，API SPEC 5CT 套管和油管，NACE MRO175 油田设备用抗硫化物应力开裂的金属材料，API SPEC 682 机械密封，ISO 9001 设计、制造、安装和服务的质量体系，API SPEC QI 第9版。该测试实验在四川科特工业井控装置安全监督测评中心完成。密封性能测试装置的试压工装主要有套管头四通、套管悬挂器组件、压机接头、百分表、安装232.5P型密封圈双栽丝法兰。44-70X36-70连接法兰1件、232.5P型密封圈双栽丝法兰1件、金属密封组件、压机试压装置、悬挂器试样零件组装见图11。

图11 悬挂器组装示意图(a)及实验现场安装图(b)

试压过程中采用气动试压泵，试压泵及压力表量程0～160 MPa，试压泵上的压力表应至少具有量程0.5%的精度，测量压力值应在压力表量程25%～75%范围内。压力测量仪表应在有效鉴定期内。试压泵连接线、接头等附件应安全可靠，压力进口位置见图12所示。图12中：为压机下压力，和分别为环空面积，为试压压力(为水压)。表1为悬挂器试压加载吨位相关数据。

表1 悬挂器密封试验加载

图12 试压示意图

通过对环空压力换算，得到当环空压力=112 MPa，转化为芯轴上压力：=2.160 7 MN，当环空压力为=121 MPa，转化为芯轴上压力：=2.315 1 MN。

试压完成后清理密封脂，检查芯轴四通内外密封面， 橡胶密封件存在撕裂和损伤，并测量芯轴下端长度的变化，以及套管四通台阶面的高度变化，金属密封组件的高度变化，见图13，测量结果见表2。

图13 试压后各零部件尺寸测量

表2 试压前后各零部件尺寸变化

改变试压压力，观测压力机操作平台位移和百分表读数变化。图14所示为第一次和第二次试压后百分表和操作台的数据变化曲线。

图14 试压两次后百分表和操作台的数据变化曲线

通过计算得变形量：下行变形量0.42 mm，四通两个台阶在120 MPa压力作用下压机下行了1.3 mm，当卸载后，压机回弹0.9 mm，因此变形量为0.4 mm左右；金属组件压力作用前为115.7 mm，压力作用后为112.64 mm，被压缩了3.06 mm，金属圈由62 mm变为61.76 mm，变化了0.24 mm左右。

3.3 金属密封芯轴悬挂器现场应用

室内试验完成后，将该型金属密封芯轴式悬挂器在塔里木博孜某井进行了现场安装，见图15。测量了需要安装的四通高度和内外径以及转换法兰的尺寸，并检查现场装运的悬挂器及密封件，送入套管与芯轴式悬挂器直接连接的，坐挂后切割套管安装套管头四通(油管头)的，送入套管应按规定扭矩紧扣。送入套管与芯轴式悬挂器之间有取送工具的，应按生产厂家的技术要求紧扣，保证送入工具能正常取出，最后完成了现场试压。

图15 金属密封悬挂器现场安装照片

4 结论

通过对卡瓦悬挂器密封结构进行力学分析，分析其失效原因。为了克服卡瓦悬挂器的缺点，提高钻井周期，本文作者设计一种新型芯轴式悬挂器，并进行了压力和承载实验，得到以下几点结论：

(1)卡瓦牙存在应力集中，卡瓦的斜壁面应力水平相对于应力集中区较低。套管在卡瓦作用力下，会产生卡瓦压痕，引起套管局部发生较大的变形和应力集中，最后必然影响套管的强度。

(2)建立卡瓦悬挂器密封结构力学模型，分析内外橡胶结构的密封性能，分析表明当套管悬重为3～4 MN时，橡胶圈最大应力达到14.75～14.84 MPa，内外橡胶圈整体被压缩，橡胶圈上部已经发生较大变形，表明卡瓦悬挂器中的橡胶结构不利于承载较大的载荷。

(3)经过试验前后拆卸对比，悬挂器和四通的变形在安全范围内。

(4)球形密封钢圈受压后产生变形为平面状，密封宽度较大，表明密封性能良好。

(5)试压过程中，随着载荷的增加，试验台仪表和百分表的位移量变化较小，因此，试压测试表明，该新型悬挂器可以承受140 MPa的高压压力作用。最后在现场得到应用，效果良好。