大通径金属密封封隔器的研究与应用
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的研究[ R ] . 哈尔滨 :哈尔滨工业大学 ,2001. [ 3 ] 万仁溥. 采油工程手册 [ M ] . 北京 : 石油工业出版社 ,
2003. [ 4 ] 江汉石油管理局采油工艺研究所编写组. 封隔器理论
基础与应用[ M ] . 北京 :石油工业出版社 ,1999. [ 5 ] 《井下作业技术数据手册》编写组. 井下作业技术数据
手册[ M ] . 北京 :石油工业出版社 ,1989. [ 6 ] 王小祥 ,毛志远 ,曹征旺. 氧化膜对 Ni Ti 合金形状记忆
效应及生物相容性的影响 [J ] . 医用生物力学 ,1995 ,10 (2) :27229. [ 7 ] 赵连城 ,郑玉峰 ,王利明. 超弹性双伞网状心脏间隔补 片[ P ] . 中国专利 :99201975. [ 8 ] Castleman L S , motzkin S M , Alicandri F P. Bioco m2 patibility of Nitinol Alloy as an Implant Material[J ] . J . Biomed Master Res ,1970 ,10. [ 9 ] Cut right D E ,Bhaskar S N ,Perez B. Tissue Reaction to Nitinol Wire Alloy[J ] . Oral Surg ,1973 ,35. [ 10 ] Ohnishi H. Proc. of 3rd Co nf o n J apanese Soc of Bi2 omat [J ] . 1982 ,121. [ 11 ] Prince M R ,Salzman E W ,Schoen F J . Local Int ravas2 cular Effect s of t he Nitinol Wire Blood Clot Filter[J ] . Invest Radiol ,1988. [ 12 ] Speck , Fraker A. Anodic Polarizatio n Behaviour of Ti2 Ni and Ti26AL24V in Simulated Physiological Solu2 tio ns[J ] . J Dental Research ,1980.
外力作用下由母相奥氏体直接形成马氏体称为 应力诱发马氏体 。外加应力对合金的马氏体相变有 较大影响 ,应力对相变起促进作用 。
应力诱发马氏体发生逆转变时 ,宏观应变得以 恢复 ,合金呈现出相变超弹性 (如图 1) 。
图 1 Ni47. 5 Ti50 Fe21 5 合金在 193 K 的应力 —应变曲线
图 5 金属封隔器验封管柱示意
大通径金属封隔器不同于常规卡瓦类封隔器 , 密封与卡瓦锚体支撑分步设计 ,不仅使封隔器结构 复杂 、长度增加 ,而且反复使用对套管具有损坏作 用 。如果密封件改用 Ni Ti 合金 ,则可以将二者结合 起来 。本设计不仅密封件采用了 Ni Ti 合金 ,而且突 破了传统的封隔器设计模式 ,集密封与锚体支撑部 分为一体 ,结构大大简化 ;内通径大 ;耐温性能高 ( > 150 ℃) 。
收稿日期 :2005203207 作者简介 :胡玉志 (19702) ,男 ,黑龙江延寿人 ,工程师 ,现主要从事采油工程的研究工作 。
胡玉志 ,等 :大通径金属密封封隔器的研究与应用
图 2 金属封隔器结构示意
3 金属封隔器的设计研究
3. 1 封隔器外径 Ni Ti 合金具有超弹性 ,如图 3 ,Ni Ti 合金受力
随着油田勘探的不断深入 ,向深层寻找油气资 源是油田持续高产的重要物质基础 。深部储层岩性 的复杂性对采油工艺提出了更高要求 。封隔器作为 分层采油的主要工具 ,在采油工程中广泛使用 。随 着开发井的加深 ,油层温度越来越高 ( > 150 ℃) ,处 理工艺的承载能力随油层的加深也不断加大 ,然而 , 传统的封隔器封隔件均以橡胶为密封材料 ,适应于 温度较低 ( < 120 ℃) 与压力不高 ( < 50 M Pa) 的工 艺条件下 ,在高温和高压条件下容易老化 ,影响封隔 器的使用性能与寿命 。为此 ,开展了大通径金属密 封可取式封隔器的研究 。
封 。为此 ,设计了专用一体化解封打捞配套工具 。 首先 ,把插入的密封段起出 ,然后利用油管携带专用 一体化解封打捞工具 ,下入到封隔器固定位置后 ,上 提捞矛将锥套起出 ,打捞工具将金属封隔器主体整 体捞住 ,待金属封隔器解封收回后 ,再整体起出 。 3. 5 引锥角
引锥角对于金属封隔器的性能起到了重要作 用 。先后设计了不同的引锥角 ,并进行了多次试验 , 试验数据如表 1 。
表 1 引锥角试验数据 (试验件为实际尺寸的 1/ 2)
引锥角 α/ (°)
0
2
5
试件
12Biblioteka 3123
1
2
3
坐封力 F/ kN
200
250
70
200
150
250
150
160
150
承压 p/ MPa
40
40
38
40
5
40
35
38
35
坐封距 s/ mm
47
47
47
47
40
48
23
24
21
备注
密封面偏斜 ,坐封时合金密封 体变形不均匀 ,坐封距过大
表 2 结构和热处理工艺改进后的试验数据
坐封力 F1 / kN
坐封距 s/ mm
解封力 F2 / kN
承压 p/ M Pa
330
试件
330
45
182
36
49
192
40
350
48
186
35
由表 2 知 ,合金密封体在真空中进行热处理后 , 其承压 > 35 M Pa ,密封性能得到极大提高 。
2003209 ,在采油一厂北 1 —丁 3 —P29 井进行 金属封隔器底水封堵 (如图 5) , 现场 验封 压力 达 141 5 M Pa 。技术指标为耐压 ≥35 M Pa ; 悬挂力 ≥ 200 kN ;耐腐蚀性能优于套管 ;耐温不低于 150 ℃; 中心管内通径为 <90 mm 。
图 4 不同热处理方式下的合金恢复曲线
合金在真空条件下热处理 ,以防止合金吸氧 ,降
低合金材料的硬度 。通过打捞和井下加热的方法解
封 ,可保证封隔器解封后能够顺利起出 。
金属封隔器解封时 ,需要下入专用工具进行解
图 3 Ni Ti 合金的回弹应变与应变的关系曲线
针对 <1141 3 mm ( 4 ∀− 英寸) 的套管 ,金属封隔 器的最大外径应 < <120 mm ,以确保封隔器下得去 。 因此 , 设 计 确 定 金 属 封 隔 器 外 径 为 <118 mm , 在 <139. 7 mm 套管内使用时 ,外径变形率为 6 % ,内径 变形率为 6. 7 %。 3. 2 密封性能 a) 延长封隔器的应力过渡带 ,减小封隔器密
本刊 2006 年广告征 订工作现已开始 ,欢迎新 老客户与刊杂志社联系 、 预订 !
坐封距过大
坐封距 、坐封力合适
·80 ·
OIL FIELD EQUIPMENT 2005 Vol. 34 №4
试验表明 ,采用 5°作为金属封隔器引锥角比较 合理 。
4 金属封隔器的试验研究
对结构和热处理工艺作了改进的金属封隔器进 行试验 ,其试验结果如表 2 。
关键词 : 封隔器 ;合金 ;马氏体相变 ;弹性 ;特性 ;密封 中图分类号 : TE933. 202 文献标识码 : B
Study and application of large bore seal metal packing HU Yu2zhi ,WAN G Rui
( D aqi n g Prod uction En gi neeri n g I nsitit ute , D aqi n g 163453 , Chi na)
Abstract : This paper p resent t he st ruet ure and wo rking p rinciple of t he packing. It s feat ure and p rocess are al so describe as well . The sealing and de2sealingl and t he effect are emp hasized. Key words : packer ;alloy ;marp hase change ;elasticit y ;characteristic ; sealing
5 结论
1) 室内试验与现场试验研究表明 ,金属封隔 器的工作原理和结构设计较合理 ,达到了各项技术
指标要求 ,现场试验获得成功 。 2) Ni Ti 合金材料在热与外加应力的作用下
形成马氏体 ,具有良好的形状记忆与超弹性功能 ,封 隔器可利用这一特性 。集密封件与卡瓦锚体为一 体 ,简化了结构 ,增大了内通径 。
2 金属封隔器的原理
金属封隔器的结构如图 2 。金属封隔器的工作 过程是由动力坐封器 、坐封封隔系统 、丢手总成 3 部 分完成 ,同时 ,配套系统包括插入管柱和解封打捞工 具 。封隔器工作系统由合金密封体 、锥体 、工作筒组 成 。丢手总成由释放套 、夹头体 、弹簧爪 、拉杆组成 。 动力坐封器将大小相等 、方向相反的 2 个机械 力通过坐封套 、拉杆的传递 ,分别作用于锥体和工作 筒上 ,使得锥体相对于合金密封体向下运动 ,将合金 密封体胀大 ,从而密封在套管上 ,当机械力达一定值 时 ,释放套被拉断 ,丢手总成工作 ,完成丢手 。
2005 年 第 34 卷 石 油 矿 场 机 械 第 4 期 第 78 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2005 ,34( 4) :78～80 文章编号 : 100123482 (2005) 0420078203
1 金属密封材料特性研究
目前金属密封材料选用 Ni Ti 合金 ,Ni Ti 合金 是一种新型材料 ,具有形状记忆与超弹性等特性 。 能够引起 Ni Ti 合金特殊功能的主要因素有 2 方面 , 一是热变化可以引起 Ni Ti 合金的形状记忆效应 ;二 是应力能够诱发 Ni Ti 合金的超弹性 。温度与应力 二者不是孤立的影响因素 ,而是彼此相关的 。
3) Ni Ti 合金材料研究正处于从基础研究阶 段转入应用研究阶段 ,随着加工工艺水平的提高与 成熟 ,其应用将更为广泛 。
参考文献 : [ 1 ] 赵连城 . 合金的形状记忆效应与超弹性 [ M ] . 北京 :国
防科技出版社 ,2002. [ 2 ] 王 中. 超弹性 Ni Ti 合金及其在油井封隔器上应用
大通径金属密封封隔器的研究与应用
胡玉志 ,王 锐
(大庆采油工程研究院 ,黑龙江 大庆 163453 )
摘要 :金属密封封隔器耐温 > 150 ℃,耐压 > 35 MPa ,适用于深层油气分层开采 。文章介绍了金属封隔器的结构 、
工作原理 、优点和坐封工艺 ,重点论述了 Ni Ti 合金的特性以及对密封性 、解封性的影响 。
时 ,发生变形 ,在 8 %的变形内 ,撤掉外力 ,合金能够 以线形恢复 。应用时形变范围必需在其弹性变形范 围内 ( < 8 %) 。
·79 ·
封面的壁厚 ,使封隔器易于扩张 ,提高密封性 。 b) 考虑到井下套管的复杂性及合金材料的延 伸性 、硬度等综合因素 ,优化设计了 3 道凸脊的密封 面结构 。其主要作用是 3 道凸脊形成了 2 个密封 腔 ,增加了密封性 ;对于有轻微腐蚀的套管 ,增加了 咬合程度 ,有利于封隔器的密封 ;使悬挂力增大 ,加 强了锚定作用 。
c) 改变材料的热处理方式 ,增加合金的延伸 性 ,使金属封隔器达到要求的密封性能 。 3. 3 寿命
由于封隔器的材料为 Ni Ti 合金 ,无橡胶成分 , 所以该具有耐腐蚀 、耐高温的特点 。 3. 4 解封性能
改进合金的热处理工艺 ,降低合金材料的硬度 , 提高其密封性 。同时降低金属封隔器的回收温度 , 同等条件下提高其恢复率 。
2003. [ 4 ] 江汉石油管理局采油工艺研究所编写组. 封隔器理论
基础与应用[ M ] . 北京 :石油工业出版社 ,1999. [ 5 ] 《井下作业技术数据手册》编写组. 井下作业技术数据
手册[ M ] . 北京 :石油工业出版社 ,1989. [ 6 ] 王小祥 ,毛志远 ,曹征旺. 氧化膜对 Ni Ti 合金形状记忆
效应及生物相容性的影响 [J ] . 医用生物力学 ,1995 ,10 (2) :27229. [ 7 ] 赵连城 ,郑玉峰 ,王利明. 超弹性双伞网状心脏间隔补 片[ P ] . 中国专利 :99201975. [ 8 ] Castleman L S , motzkin S M , Alicandri F P. Bioco m2 patibility of Nitinol Alloy as an Implant Material[J ] . J . Biomed Master Res ,1970 ,10. [ 9 ] Cut right D E ,Bhaskar S N ,Perez B. Tissue Reaction to Nitinol Wire Alloy[J ] . Oral Surg ,1973 ,35. [ 10 ] Ohnishi H. Proc. of 3rd Co nf o n J apanese Soc of Bi2 omat [J ] . 1982 ,121. [ 11 ] Prince M R ,Salzman E W ,Schoen F J . Local Int ravas2 cular Effect s of t he Nitinol Wire Blood Clot Filter[J ] . Invest Radiol ,1988. [ 12 ] Speck , Fraker A. Anodic Polarizatio n Behaviour of Ti2 Ni and Ti26AL24V in Simulated Physiological Solu2 tio ns[J ] . J Dental Research ,1980.
外力作用下由母相奥氏体直接形成马氏体称为 应力诱发马氏体 。外加应力对合金的马氏体相变有 较大影响 ,应力对相变起促进作用 。
应力诱发马氏体发生逆转变时 ,宏观应变得以 恢复 ,合金呈现出相变超弹性 (如图 1) 。
图 1 Ni47. 5 Ti50 Fe21 5 合金在 193 K 的应力 —应变曲线
图 5 金属封隔器验封管柱示意
大通径金属封隔器不同于常规卡瓦类封隔器 , 密封与卡瓦锚体支撑分步设计 ,不仅使封隔器结构 复杂 、长度增加 ,而且反复使用对套管具有损坏作 用 。如果密封件改用 Ni Ti 合金 ,则可以将二者结合 起来 。本设计不仅密封件采用了 Ni Ti 合金 ,而且突 破了传统的封隔器设计模式 ,集密封与锚体支撑部 分为一体 ,结构大大简化 ;内通径大 ;耐温性能高 ( > 150 ℃) 。
收稿日期 :2005203207 作者简介 :胡玉志 (19702) ,男 ,黑龙江延寿人 ,工程师 ,现主要从事采油工程的研究工作 。
胡玉志 ,等 :大通径金属密封封隔器的研究与应用
图 2 金属封隔器结构示意
3 金属封隔器的设计研究
3. 1 封隔器外径 Ni Ti 合金具有超弹性 ,如图 3 ,Ni Ti 合金受力
随着油田勘探的不断深入 ,向深层寻找油气资 源是油田持续高产的重要物质基础 。深部储层岩性 的复杂性对采油工艺提出了更高要求 。封隔器作为 分层采油的主要工具 ,在采油工程中广泛使用 。随 着开发井的加深 ,油层温度越来越高 ( > 150 ℃) ,处 理工艺的承载能力随油层的加深也不断加大 ,然而 , 传统的封隔器封隔件均以橡胶为密封材料 ,适应于 温度较低 ( < 120 ℃) 与压力不高 ( < 50 M Pa) 的工 艺条件下 ,在高温和高压条件下容易老化 ,影响封隔 器的使用性能与寿命 。为此 ,开展了大通径金属密 封可取式封隔器的研究 。
封 。为此 ,设计了专用一体化解封打捞配套工具 。 首先 ,把插入的密封段起出 ,然后利用油管携带专用 一体化解封打捞工具 ,下入到封隔器固定位置后 ,上 提捞矛将锥套起出 ,打捞工具将金属封隔器主体整 体捞住 ,待金属封隔器解封收回后 ,再整体起出 。 3. 5 引锥角
引锥角对于金属封隔器的性能起到了重要作 用 。先后设计了不同的引锥角 ,并进行了多次试验 , 试验数据如表 1 。
表 1 引锥角试验数据 (试验件为实际尺寸的 1/ 2)
引锥角 α/ (°)
0
2
5
试件
12Biblioteka 3123
1
2
3
坐封力 F/ kN
200
250
70
200
150
250
150
160
150
承压 p/ MPa
40
40
38
40
5
40
35
38
35
坐封距 s/ mm
47
47
47
47
40
48
23
24
21
备注
密封面偏斜 ,坐封时合金密封 体变形不均匀 ,坐封距过大
表 2 结构和热处理工艺改进后的试验数据
坐封力 F1 / kN
坐封距 s/ mm
解封力 F2 / kN
承压 p/ M Pa
330
试件
330
45
182
36
49
192
40
350
48
186
35
由表 2 知 ,合金密封体在真空中进行热处理后 , 其承压 > 35 M Pa ,密封性能得到极大提高 。
2003209 ,在采油一厂北 1 —丁 3 —P29 井进行 金属封隔器底水封堵 (如图 5) , 现场 验封 压力 达 141 5 M Pa 。技术指标为耐压 ≥35 M Pa ; 悬挂力 ≥ 200 kN ;耐腐蚀性能优于套管 ;耐温不低于 150 ℃; 中心管内通径为 <90 mm 。
图 4 不同热处理方式下的合金恢复曲线
合金在真空条件下热处理 ,以防止合金吸氧 ,降
低合金材料的硬度 。通过打捞和井下加热的方法解
封 ,可保证封隔器解封后能够顺利起出 。
金属封隔器解封时 ,需要下入专用工具进行解
图 3 Ni Ti 合金的回弹应变与应变的关系曲线
针对 <1141 3 mm ( 4 ∀− 英寸) 的套管 ,金属封隔 器的最大外径应 < <120 mm ,以确保封隔器下得去 。 因此 , 设 计 确 定 金 属 封 隔 器 外 径 为 <118 mm , 在 <139. 7 mm 套管内使用时 ,外径变形率为 6 % ,内径 变形率为 6. 7 %。 3. 2 密封性能 a) 延长封隔器的应力过渡带 ,减小封隔器密
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坐封距过大
坐封距 、坐封力合适
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OIL FIELD EQUIPMENT 2005 Vol. 34 №4
试验表明 ,采用 5°作为金属封隔器引锥角比较 合理 。
4 金属封隔器的试验研究
对结构和热处理工艺作了改进的金属封隔器进 行试验 ,其试验结果如表 2 。
关键词 : 封隔器 ;合金 ;马氏体相变 ;弹性 ;特性 ;密封 中图分类号 : TE933. 202 文献标识码 : B
Study and application of large bore seal metal packing HU Yu2zhi ,WAN G Rui
( D aqi n g Prod uction En gi neeri n g I nsitit ute , D aqi n g 163453 , Chi na)
Abstract : This paper p resent t he st ruet ure and wo rking p rinciple of t he packing. It s feat ure and p rocess are al so describe as well . The sealing and de2sealingl and t he effect are emp hasized. Key words : packer ;alloy ;marp hase change ;elasticit y ;characteristic ; sealing
5 结论
1) 室内试验与现场试验研究表明 ,金属封隔 器的工作原理和结构设计较合理 ,达到了各项技术
指标要求 ,现场试验获得成功 。 2) Ni Ti 合金材料在热与外加应力的作用下
形成马氏体 ,具有良好的形状记忆与超弹性功能 ,封 隔器可利用这一特性 。集密封件与卡瓦锚体为一 体 ,简化了结构 ,增大了内通径 。
2 金属封隔器的原理
金属封隔器的结构如图 2 。金属封隔器的工作 过程是由动力坐封器 、坐封封隔系统 、丢手总成 3 部 分完成 ,同时 ,配套系统包括插入管柱和解封打捞工 具 。封隔器工作系统由合金密封体 、锥体 、工作筒组 成 。丢手总成由释放套 、夹头体 、弹簧爪 、拉杆组成 。 动力坐封器将大小相等 、方向相反的 2 个机械 力通过坐封套 、拉杆的传递 ,分别作用于锥体和工作 筒上 ,使得锥体相对于合金密封体向下运动 ,将合金 密封体胀大 ,从而密封在套管上 ,当机械力达一定值 时 ,释放套被拉断 ,丢手总成工作 ,完成丢手 。
2005 年 第 34 卷 石 油 矿 场 机 械 第 4 期 第 78 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2005 ,34( 4) :78～80 文章编号 : 100123482 (2005) 0420078203
1 金属密封材料特性研究
目前金属密封材料选用 Ni Ti 合金 ,Ni Ti 合金 是一种新型材料 ,具有形状记忆与超弹性等特性 。 能够引起 Ni Ti 合金特殊功能的主要因素有 2 方面 , 一是热变化可以引起 Ni Ti 合金的形状记忆效应 ;二 是应力能够诱发 Ni Ti 合金的超弹性 。温度与应力 二者不是孤立的影响因素 ,而是彼此相关的 。
3) Ni Ti 合金材料研究正处于从基础研究阶 段转入应用研究阶段 ,随着加工工艺水平的提高与 成熟 ,其应用将更为广泛 。
参考文献 : [ 1 ] 赵连城 . 合金的形状记忆效应与超弹性 [ M ] . 北京 :国
防科技出版社 ,2002. [ 2 ] 王 中. 超弹性 Ni Ti 合金及其在油井封隔器上应用
大通径金属密封封隔器的研究与应用
胡玉志 ,王 锐
(大庆采油工程研究院 ,黑龙江 大庆 163453 )
摘要 :金属密封封隔器耐温 > 150 ℃,耐压 > 35 MPa ,适用于深层油气分层开采 。文章介绍了金属封隔器的结构 、
工作原理 、优点和坐封工艺 ,重点论述了 Ni Ti 合金的特性以及对密封性 、解封性的影响 。
时 ,发生变形 ,在 8 %的变形内 ,撤掉外力 ,合金能够 以线形恢复 。应用时形变范围必需在其弹性变形范 围内 ( < 8 %) 。
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封面的壁厚 ,使封隔器易于扩张 ,提高密封性 。 b) 考虑到井下套管的复杂性及合金材料的延 伸性 、硬度等综合因素 ,优化设计了 3 道凸脊的密封 面结构 。其主要作用是 3 道凸脊形成了 2 个密封 腔 ,增加了密封性 ;对于有轻微腐蚀的套管 ,增加了 咬合程度 ,有利于封隔器的密封 ;使悬挂力增大 ,加 强了锚定作用 。
c) 改变材料的热处理方式 ,增加合金的延伸 性 ,使金属封隔器达到要求的密封性能 。 3. 3 寿命
由于封隔器的材料为 Ni Ti 合金 ,无橡胶成分 , 所以该具有耐腐蚀 、耐高温的特点 。 3. 4 解封性能
改进合金的热处理工艺 ,降低合金材料的硬度 , 提高其密封性 。同时降低金属封隔器的回收温度 , 同等条件下提高其恢复率 。