陆仁德 栗国浩 程文佳 李越 董社霞 李双全

摘要：提出的卡瓦结构设计方法涵盖材料评估与选择、卡瓦组件结构优化、卡瓦结构参数优化、卡瓦测试验证等流程。应用该方法设计了可以控制启动载荷的上、下笼式卡瓦组件结构。结合ANSYS有限元分析、样机测试等方法，对所设计的笼式卡瓦组件进行优化设计与试验验证。对带有防挤出护肩的2种胶筒密封组件的试验研究表明，带隔环的三胶筒结构更为优异。在此基础上，研制了高温高压液压坐封永久式封隔器，额定工作压力68.94 MPa（10 000 psi），额定工作温度204.4 ℃（400 ℉）。测试结果表明，所研制的封隔器符合API SPEC 11D1 标准V0级测试要求。

关键词：封隔器; 笼式卡瓦; 高温高压; 三胶筒结构; 水平式封隔器测试

中图分类号：TE925.303   文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.012

Abstract：A slip structure design method was proposed， which covered multiple processes such as material evaluation and selection， slip component structure optimization， slip structure optimization， slip test verification， etc. The ANSYS finite element analysis， and sample cycle tests were applied to optimize the design and design verification of the slip components. The research on the two kinds of packer element package with anti-extrusion ring shows that the structure of the triple element package with spacer rings is more magnificent. Based on this research， an HPHT hydraulic permanent packer was designed. The packer has a rated working pressure of 10，000 psi with a rated working temperature of 400 ℉. It was tested with a horizontal HPHT packer test system and the test results show that it complies with the API SPEC 11D1 standard V0 test requirements.

Key words：packer; caged slip; hpht; tripe element package; horizontal packer test

永久式封隔器主要用于油氣井压裂、完井、酸化、试油等井下作业工艺中。卡瓦是永久式封隔器极为关键的部件之一。在封隔器卡瓦结构及其材料研究方面，国内外形成了诸多的研究成果。在封隔器相关的设计方法和设计规范方面，Ronaldo［1］等人所提出的更为严格和规范的设计开发控制程序是近年来高温高压（HPHT）封隔器设计的新发展方向；Deng、Peters ［2-3］等人结合API 17TR8、API 6A、ASME VIII-2 、ASME VIII-3等标准及规范的要求对HPHT封隔器的设计方法进行了研究；Humphreys［4］等人对HPHT封隔器现场失效形式进行了研究。

卡瓦结构的研究方法主要有测试试验［5］、有限元仿真［6-7］、云纹法物理模拟［8］、三维光弹模拟测试［9］，以及这些方法的组合研究。研究内容重点是围绕卡瓦的力学计算、卡瓦牙角度及结构参数、卡瓦牙咬入套管深度及对套管的损伤机理和验证、不同结构及参数卡瓦的承载强度、整体式卡瓦断裂［10-11］过程等方面。应用于永久式封隔器的整体式卡瓦的破断力受材料性能及其热处理工艺的影响显著，首处破断割缝位置及结构对破断力的影响较大，多次破断的非连续和非线性等因素使得整体式卡瓦结构精确控制破断力成为设计难题。在笼式卡瓦结构的研究方面，受其非轴对称结构的影响，采用有限元仿真分析时网格数量急剧增加，使得仿真收敛难度明显增大。其仿真的结果受结构割缝形态的影响，在缝端部的等效应力会超出材料最小屈服强度，需要对其进行棘轮分析，以确定塑性变形的影响范围，在此方面，国内外也鲜有研究突破。现有的文献对封隔器卡瓦组件的设计方法鲜有研究，因此，本文对封隔器卡瓦组件设计方法的研究具有一定的意义。

此外，在压缩式封隔器设计确认测试方面，尤其是HPHT封隔器设计确认测试方面，IstreRoyer［12］等人对设计的V0-H级封隔器以竖直安装的方式在适用的最大套管内径、最小套管内径内进行了包含包络线测试在内的确认测试研究，其测试压力达到120.6 MPa（17 500 psi）、最高温度为148.9 ℃（300 ℉）；Royer［13］等人对所研制的HPHT膨胀式悬挂器以水平安装方式在15.6～190.6 ℃（60～375 ℉）、103.4 MPa（15 000 psi）工况下完成包含压力反转测试、包络线测试等多项API SPEC 11D1 标准V0等级（以下简称V0级）确认测试，并且提出要想确认或者验证某个封隔器的所有性能和参数，只基于单次的测试是不充分的，基于用户的良好使用业绩可以用来弥补V0级设计确认测试无法回答的各项问题。刘辉、张蔚红、庞东晓、吕芳蕾等人［14-17］研制了高温高压封隔器性能试验装置，采用的技术方案均为垂直井筒竖直安装封隔器的方案。该类试验装置无法有效模拟封隔器应用于大斜度定向井的实际工况。开展压缩式封隔器在更为严苛的水平放置工况下的确认测试研究，对指导封隔器尤其是高温高压封隔器在更为严格工况下的使用具有实际意义。

1 封隔器的主要设计参数

本文研究的是一种液压坐封永久式封隔器。该封隔器适用套管完井的诸多完井工艺，尤其适用于带有回接插入密封的完井工艺。典型应用的完井工艺管柱如图1所示。封隔器的主要设计参数如表1所示。

2 结构设计方案与关键组件设计方法

为满足表1的设计参数要求，特别是满足封隔器在高温高压环境下工作的可靠性，封隔器的关键组件——卡瓦组件、密封胶筒组件的设计是其技术难点。

2.1 卡瓦组件及笼式卡瓦结构设计

卡瓦坐封后不但要承受管柱重力产生的轴向载荷，还需承受由于封隔器上下环空压差、油套管压差、井口直接作用于油管管柱的力等作用于卡瓦上的轴向载荷。对于高温高压封隔器，更高的额定压力会产生更大的轴向载荷。此外，高温设计时还需要考虑高温下材料的强度降低因子。综合考虑以上因素，研究提出了如图2所示的卡瓦优化设计方法（流程）。

1） 材料评估与选择。

主要考虑不同材料、不同热处理工艺下材料强度的变化。考虑材料强度时参照现有行业和国际标准，并考虑温度对材料强度的影响。

研究比较了用于封隔器卡瓦的主要渗碳钢材料，从材料的强度、渗碳淬火后适合空冷回火的工艺角度出发，优选20CrMnTi钢作为卡瓦的材料。考虑到卡瓦坐封时卡瓦牙吃入套管内壁并承受较大的轴向力，采用行业内通用的对卡瓦齿进行渗碳淬火的热处理工艺，热处理后卡瓦齿面的硬度可达到58～62 HRC，渗碳层有效厚度不低于0.6 mm，卡瓦心部硬度可达35～45 HRC。20CrMnTi钢渗碳淬火后的最小屈服强度为850 MPa，最小抗拉强度为1 080 MPa。结合已有的设计经验，取204.4 ℃（400 ℉）时20CrMnTi钢因温度变化导致的材料最小屈服强度降低系数为0.85，可得到20CrMnTi钢在该温度下的最小屈服强度为722.5 MPa，最小抗拉强度为918 MPa。

2） 卡瓦组件结构优化设计。

主要考虑实现上卡瓦、下卡瓦顺序启动的结构构想。影响设计的关键因素有封隔器适用的最大套管内径、最小套管内径、一定狗腿度下封隔器下入固定件及活动件的安全间隙、卡瓦结构类型、卡瓦坐封的径向与轴向坐封距离、各组件间安装间隙及尺寸链等。

考虑到所设计的为永久式封隔器，封隔器整体结构采用密封胶筒上、下双卡瓦的结构形式，以保障封隔器的可靠悬挂性能。这种结构要求在封隔器胶筒完全坐封前，位于密封胶筒下部的下卡瓦的卡瓦牙不能吃入套管内壁，否则自下向上的坐封力不能顺利传递到密封胶筒组合，影响其完成坐封动作，进而使得封隔器密封性能不足，难以承受过高的密封压差。研究设计了如图3所示的笼式下卡瓦组件结构，满足封隔器密封胶筒坐封完成后才启动笼式卡瓦的结构需求。

图3所示的笼式卡瓦组件相比于常规的分瓣式卡瓦的主要特点是卡瓦牙接近360°分布，极大地增大了卡瓦牙接触套管内壁的接触面积，可降低卡瓦在承受轴向载荷时对套管作用的应力，减少由此对套管产生的损伤。在不超过笼式卡瓦材料许用应力的条件下，笼式卡瓦卸载后在弹性力作用下可恢复坐封前的尺寸及形状。相比于整体破断式卡瓦结构，该种结构不需要精确控制卡瓦的破断力，对材料性能以及加工工艺的要求相对较低，可以通过控制剪切装置的纯剪切力来较为精确地控制卡瓦的启动力。通过优化设计，得到套管内径与笼式卡瓦安装外径的间隙为4.0 mm、笼式卡瓦径向坐封距离为4.8 mm的卡瓦组件方案。

3） 笼式卡瓦结构优化设计。

主要是优化卡瓦接触锥角、笼式卡瓦割缝数量、卡瓦厚度等结构参数。借助ANSYS有限元分析软件，先后通过简化轴对称模型、3D等模型，对结构进行有限元仿真分析，得到笼式卡瓦在设计工况下的等效应力分布，并采用参数化仿真分析方法优化卡瓦结构参数。设计优选的笼式卡瓦接触锥角为20°，单侧割缝数量为16条。该笼式卡瓦结构在设计工况下的等效应力及变形如图4所示。

由图4知，笼式卡瓦在部分位置的应力超过材料的许用强度722.5 MPa，其分布区域如图5所示。该区域位置均集中在割缝的端部附近。参照API  SPEC 11D1－2021中高温高压设计流程图采用的设计方法［18］，需要进一步对结构进行棘轮分析，判定设计是否符合ASME Div.2 5.5.7或者Div.3 KD-234的要求，是否发生扩展式的塑性变形而导致结构失效。考虑到模型的复杂性，以及棘轮分析所需要的材料塑性状态下的应力应变数据获取难度，采用实物测试的方式对结构进行进一步的设计验证。

4） 笼式卡瓦验证测试。

对等尺寸笼式卡瓦样机进行试验，验证此前的优化设计结果。对卡瓦样机进行反复50次坐封过程加载、卸载测试，如图6所示。通过对测试数据分析，得出卡瓦的坐封力、坐封行程与设计值基本一致，且坐封完成并卸载坐封载荷后卡瓦可恢复到坐封前尺寸，无明显塑性变形，符合设计要求。

2.2 密封胶筒组件结构设计

高温高压封隔器对密封胶筒组件的要求极为严苛，不但需要承受井下接近额定温度值的温度，还需要承受上下环空在额定压力压差下的作用力产生的较高的应力，同时还需要承受温度循环的显著影响，对密封材料、密封结构都提出了更大的挑战。

研究设计了无隔环三胶筒（如图7 a所示）和带隔环三胶筒（如图7 b所示）2种密封胶筒组合方案。2种密封胶筒组合均采用更为可靠密封的三胶筒结构，中胶筒的硬度低于边胶筒，可适当地降低对坐封载荷的要求。2种胶筒均采用了聚四氟乙烯支撑环加双金属护肩的密封结构。通过对2种密封胶筒组件的测试表明，带隔环的三胶筒结构的密封性能整体优于无隔环三胶筒结构。无隔环三胶筒结构在坐封过程中更容易产生不对称的结构倾斜，使得密封可靠性降低。该结构单侧压差所有稳压阶段未见气泡，另一侧在温度循环测试中出现非连续气泡，未能达到API SPEC 11D1标准V0级测试要求。带隔环三胶筒結构在整个V0级测试过程中两侧压差的所有稳压阶段均未见气泡冒出，测试结果符合V0级的要求。

图8～9分别为无隔环三胶筒、带隔环三胶筒经过V0级测试后其密封胶筒组件和AFLAS材质胶筒的状态，可以看出无隔环三胶筒结构在68.94 MPa（10 000 psi）、204 ℃的V0级测试后出现明显倾斜，2种结构的密封胶筒在测试后其金属护肩均几乎完美对称的与套管内壁贴合，这证明与其接触的聚四氟乙烯支撑环产生了良好的支撑作用和防挤出效应，从而对额定压力、额定温度下的AFLAS橡胶材质的三胶筒起到了良好的保护作用。

3 整机试验测试

3.1 封隔器结构

以设计的笼式卡瓦组件为基础，结合封隔器的设计经验，研究设计了满足表1设计参数要求的液压坐封永久式封隔器，结构如图10所示。样机如图11所示。

3.2 封隔器的设计确认测试

为了验证该封隔器的综合性能，使用高温高压封隔器测试系统对所研制的封隔器进行产品性能包络线在内的各项测试。测试系统如图12所示，包含：加温保温系统、轴向力加载系统、油管及套管上下环空加压系统、气泡收集装置等测试子系统。该测试系统的1个特点是轴向力加载系统为水平部署，可施加不大于1 000 kN的轴向载荷。

封隔器水平安装工况下性能包络线测试方案如图13所示，实物照片如图14所示。

设计确认测试流程及接收标准符合API SPEC 11D1 对V0设计等级的封隔器的各项要求。封隔器通过了压力反转测试、性能包络线测试、温度循环测试等在内的各项测试，所有测试过程中气体收集装置未收集到气泡，测试结果符合V0级的零气泡的接收标准。封隔器性能包络线测试结果如图15所示。

4 结论

1） 提出了卡瓦的设计方法（流程），涵盖从材料评估、卡瓦组件结构优化、卡瓦结构优化、设计验证等设计要点，并优化了笼式卡瓦的结构参数。使用以上设计方法设计了液压坐封永久式封隔器，具有可控启动的笼式卡瓦组件，且具有耐高温、高压性能。

2） 研究表明，带隔环三胶筒结构较无隔环三胶筒结构在高温高压V0级测试中表现出更为优异的性能。研制的金属护肩结构对PTFE支撑环起到了良好的保护作用。

3） 对笼式卡瓦进行有限元静力学分析表明，割缝的缝端区域存在超出材料许用应力的应力状态。因为棘轮分析方法的复杂性，对笼式卡瓦样机进行循环坐封加载、卸载测试，结果表明所设计的笼式卡瓦满足功能与强度的各项要求。

4） 在更为严苛的水平放置的测试条件下，对所研制的高温高压封隔器进行了符合API SPEC 11D1 标准V0设计等级的各项测试，测试结果表明设计的封隔器符合技术要求。

5） 由于高温高压水平式封隔器测试系统的轴向载荷限制，此次封隔器性能包络线测试的最大轴向力仅测试至1 000 kN，该数值小于封隔器的性能极限值。后续可改进测试系统，提升相关的测试能力。

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