Y341-114型注水封隔器胶筒与套管摩擦力试验研究.pdf

2 O1 2年 第 7 期 第 4 1卷 第 6 6贞 石油 矿 0 l L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 O 1 2， 4 1 ( 7 )： 6 6 6 9 文 章 编 号 ： 1 0 0 1 - 3 4 8 2 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 6 6 0 4 Y 3 4 1 1 1 4型注水封 隔器胶筒 与套 管摩擦 力试验研究 王尊策 ， 管翠翠 ， 温后珍 ， 吕凤 霞 ( 东北石油大学 机械科学与工程学 院， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 ) 摘要： 目前在细分层注水管柱的力学分析 中， 封隔器胶筒对套管的摩擦力大多使用估计值或数值模 拟 分析 结果 ， 很 少有 精确 的试验 数据 ， 无 法适应 细分层 注水技 术对 封 隔器在 井下位 置精 确计 算 的要 求。设计封隔器胶筒模拟试验装置， 对测定胶 筒与套管的摩擦力大小具有重要意义。试验结果表 明： 压 力在 4 1 7 MP a时 ， 胶 筒与 套 管 的摩 擦 力 与 轴 向加 压 压 力基 本 呈 线 性 关 系； 在 无 润 滑条 件 下 ， 当压 力为 1 7 MP a时， 单级封 隔 器对套 管产 生的摩擦 力 约 3 0 k N。 为细 分层 注 水 管柱 的 力学分 析提 供 了试验数 据 ， 有助 于确保 细分层 注 水工 艺的稳 定 实施 。 关键 词 ： 封 隔器 ； 胶 筒 ； 摩擦 力 ； 试 验研 究 中图分类 号 ： TE 9 3 1 2 文献标 识码 ： A Ex p e r ime n t a l Re s e a r c h o f Y3 4 1 _ 1 1 4 Wa t e r I n j e c t io n We l l P a c k e r Ru b b e r - Ca s in g W a l l Fr ic t io n F o r c e W ANG Zu n c e， GU AN Cu i c ui， W EN Hou z he n， LV Fe ng x ia ( Co l l e g e o f Me c h a n ic a l S c ie n c e a n d En g in e e r i n g， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un iv e r s i t y， Da q in g 1 6 3 3 1 8 ， C h in a) A b s t r a c t ： At p r e s e n t ， i n t h e me c h a n ic s a n a l y s is o f s u b d iv is io n wa t e r in j e c t io n t u b in g s t r in g ， t h e e s t ima t e d v a l u e o r t h e n ume r ic a l s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e mo s t l y u s e d a s t h e p a c k e r r u b b e r - c a s in g wa l l f r i c t io n f o r c e wh i c h c a n n o t b e a d a p t e d t o t h e r e q u ir e me n t s o f s u b d iv i s io n wa t e r in j e c t io n t e c h n i q u e a b o u t t h e p r e c is e p o s it io n o f p a c k e r u n d e r t h e d o wn h o l e a n d t h e r e a r e f e w a c c u r a t e t e s t d a t a Th e r e f o r e ， i t i s n e c e s s a r y t o d e s ig n p a c ke r r u b b e r s i mul a t i o n t e s t t o o l a n d me a s u r e t he r u b b e r - c a s in g wa l l f r i c t i o n f o r c e Th e t e s t r e s ui t s in d i c a t e t ha t t h e l a w b e t we e n r u b b e r - c a s in g wa l 1 f r i c t i o n f o r c e a n d a x ia l s e t - d o wn p r e s s u r e iS in a l in e a r r e l a t io n u nd e r t h e p r e s s u r e d ur in g 4 - 1 7 M Pa I n n o l ub r ic a t i o n c o n d it io n， s i n gl e s t a g e r u b b e r - c a s in g wa l l f r ic t io n f o r c e i s a b o u t 3 t o n s p r o d u c e d a t 1 7 M Pa p r e s s u r e Th e r e s u l t s c a n p r o v id e e xp e r i me nt a l ba s is f o r t h e me c h a n ic s a n a l y s i s o f s u b d i v i s i o n wa t e r i n j e c t i o n t u b in g ， a n d wil l b e h e l p f u l t o e n s u r e t h e s t a b il i t y o f s u b d iv i s i o n wa t e r i n j e c t i o n t e c h n i q u e Ke y wo r ds ： pa c k e r； r u bbe r； f r ic t io n f o r c e； e xp e r ime n t a l r e s e a r c h 封 隔器 是 油 田压 裂 、 试油 、 采 油 、 注 水 、 堵水 、 注 水 、 油 层 改 造 等 工 艺 措 施 的 核 心 工 具 口 。Y3 4 1 1 1 4型注水封 隔器广泛应用于细分层注水工艺 ， 其 最重要 的部 件 是 胶 筒 3 。 当胶筒 承 受 轴 向压 缩 载 荷时 ， 除产生轴向压缩变形外还将产生径向膨胀 ， 密 封油管和套管的环形空间， 把上下油层分开 ， 达到分 注 的 目的 。 。注 水 管柱 受 力 情 况 与封 隔 器 封 隔 时 胶筒 对套 管产 生的摩擦 力 大小密 切相关 。现 阶段 在 注水 管柱 力学 分析 中， 胶 筒 与套 管 摩 擦 力 的大 小 大 多使用估计值、 数值模拟分析结果或忽略摩擦力 因 素 的影 响 ， 很少 有精 确 的试 验数 据 ， 无 法适 应 细分 层注水技术对封隔器井下位置准确计算 的要求 ， 从 而降低细分层注水 的质量 ， 甚至影响油 田注水开发 效果 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 0 1 1 2 作者简 介 ： 王尊策( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 黑龙江 巴彦人 ， 教 授， 博导 ， 主要从事石油石化流体机械及设备研究 。 石油 矿场 机械 2 O 1 2年 7 月 图 5 拉 动中心管及套管过程 2 试 验方案 本 试验 在 常 温 条 件 下 进 行 ， 胶 筒 与 套 管 问 无 润滑 。 Y3 4 1 一 l 1 4型注水 封隔器是通过 在油管内加液 压使得胶筒产生径向膨胀 ， 从而密封油管和套管的 环形空间， 实现封隔作用 。封隔器坐封销钉在轴 向压力 达 到 4 MP a 时 被剪 断 ， 胶 筒 开始产 生径 向膨 胀 ， 随着轴向压力增大， 胶筒径向变形也变大并与套 管 内壁 发 生 接 触 ， 因 此 试 验 中 轴 向 坐 封 压 力 从 4 MP a 开始。为准确模拟胶筒与套管 的摩擦过程 ， 轴 向坐封压力分别取 4 、 5 、 6 、 8 、 1 O 、 1 2 、 1 5 、 1 7 MP a 。受 室 内试 验 条 件 限 制 ， 因此 将 Y3 4 1 1 1 4型 注 水 封 隔 器实际注水坐封压力根据式 ( 1 ) 换算为轴 向机械载 荷 进行 试验 ， 即 F pA 一 0 00 4 1 9 1 9 p ( 1 ) 式 中 ， A 为 Y3 4 1 1 1 4型注 水 封 隔 器坐 封 活 塞 面积 ； P为轴 向坐封 压力 ， P a 。 不 同轴 向坐封压力对应的轴向机械载荷如表 1 所示 。 表 1 压缩胶筒所需轴向载荷 轴 向坐封 对应轴 向 轴 向坐封 对应轴向 压力 MP a 载荷 N 压力 MP a 载荷 N 4 1 6 7 67 6 1 O 4 1 9 19 O 5 2 O 9 59 5 1 2 5 0 3 02 8 6 2 5 1 51 4 1 5 6 2 87 8 5 8 3 3 5 35 2 1 7 7 1 2 62 3 3 试 验 曲线分析处理 Y3 4 1 1 1 4型注 水封 隔器 胶 筒 与 套 管 摩擦 力 测 试 试验 在无 润滑 条件 下 进 行 ， 依 据 所 取轴 向坐 封 压 力 共做 8组试 验 ， 由于 篇 幅所 限 只 列 出轴 向坐 封 压 力为 1 7 MP a的试 验 测 试数 据 。1组 胶筒 轴 向压 缩 量试验测试曲线和胶筒与套管间摩擦力试验测试 曲 线 如 图 6 7所示 。 日 皇 叵 暴 Z 迷 j9 1 1 8 J 4 l O 7 3 9 6 1 9 2 2 8 馏 3 84 4 8o 压缩量 ram 图 6 胶筒轴 向压缩量试验测试 曲线 轴向拉动位移 ram 图 7 胶简与套管 间摩擦力试验测试 曲线 由图 6 7可以看出 ： 在轴向载荷 由零逐渐增加 到 1 7 MP a的过程 中， 胶筒 的轴 向压缩量也逐渐加 大 。在轴 向坐 封 压 力 为 1 7 MP a时 ， 由压 缩 胶 筒 试 验可 知 ， 1 组 胶筒轴 向压 缩量 可达 到 4 6 3 6 3 mm； 由 拉动 套 管 与 中心 管 测 试 摩擦 力 试 验 可 知 ， 1组 胶 筒 与套 管 间静摩 擦力 逐 渐 增 大 ， 最 大静 摩 擦 力 大 小 为 3 2 0 4 0 3 N， 当胶 筒与套 管 间达 到最大静 摩 擦 力后 ， 产生滑动摩擦 ， 滑动摩擦力大小为 2 8 4 4 9 3 N。取 轴 向坐封压力分别为 4 、 5 、 6 、 8 、 1 0 、 1 2 、 1 5 、 1 7 MP a ， 研究 轴 向坐封 压力 与 摩擦 力 的关 系 ， 结 果 如 表 2和 图 8 所 示 。 由图 8可 以看 出 ： 随 着 轴 向 坐封 载 荷 的 增 加 ， 最大静 摩擦 力和 滑动摩 擦力 也 随之增 加 ， 在 一 定 范 围内摩擦 力与 轴 向坐封 载荷 之间基本 呈 线性 关 系 。由 8组试 验 曲线得 胶筒 在不 同轴 向坐封 载荷 作 第4 1 卷 第7 期 王尊策， 等： Y 3 4 1 1 1 4 型注水封隔器胶筒与套管摩擦力试验 壅 用下 的摩擦 力试 验数据 ， 如 表 2 所 示 。 表 2 不同坐封力下胶筒与套管间的摩擦 力 35 40 0 37 88 O 41 5 0 0 40 9 35 42 5 12 4 4 61 1 4 3 1 4O 4 6 36 3 5 8 69 8 1 8 4 77 4 0 12 O 79 5 O 16 2 78 3 O 18 8 82 1 O 21 O5 9 1 O 23 79 2 4 0 3 2 04 0 3 0 4 86 1 2 7 60 4 7 1 0 1 39 4 1 2 3 8 O1 l 5 6 32 1 1 8 1 61 3 1 9 81 6 8 2 8 4 49 3 Z 蜷 世 轴向坐封压力 MP a 图 8 坐封力与胶筒对套管摩擦力关系 曲线 依据表 2的试验数据 ， 拟合出单级封隔器胶筒 所受摩擦力与轴向坐封压力的关系式， 即 厂 一0 2 4 2 8 一9 3 4 3 2 P +1 4 0 0 9 9 4 P 。 一 1 2 0 6 8 p 。 + 8 4 5 2 9 p一 1 5 5 9 9 ( 2 ) 式 中 ， 厂为 试 验 测 得 封 隔器 胶 筒 与 套 管 的 摩 擦 力 ， N； P为轴 向 坐封 压 力 ， MP a 。本 公 式适 用 于 Y3 4 1 1 1 4型压 缩式 封隔器 ， 套 管 内径 o 1 2 4 3 mm。 试 验过 程 中 ， 胶筒 与套 管间无 润滑 ， 而实 际封 隔 器胶筒在井下实际工况工作时， 胶筒 与套管间存在 油水混 合物 ， 起到 了润 滑作用 。因此式 ( 2 ) 应 当乘 以 一 个摩擦力修正系数 ， 得出的摩擦力 才能与实 际 情 况相 符 。实际 工 况下 单 级 Y3 4 1 1 1 4型 注 水 封 隔 器胶筒与套管摩擦力 摩擦力与轴 向坐封压力关 系 式为 f 一 f ( 3 ) 式中， 摩擦力修正系数 取值范围 3 8 7 8 ； f为试 验测 得封 隔器 胶 筒 与 套 管 的 摩 擦 力 ， N； f 为 实 际 工况 下胶筒 与套 管 问摩擦力 ， N。 4 结 论 1 ) 在无 润滑 条 件下 ， 轴 向坐 封 载荷 逐 渐 增 加 的过 程 中 ， 胶筒 轴 向压 缩量 逐渐 加大 ， 单 级 封隔器 对 套管 产生 的摩 擦力约 3 0 k N。 2 ) 随着 轴 向坐 封 载荷 的增 加 ， 最 大静 摩 擦 力 和 滑动 摩 擦 力也 随之 增 加 ， 压 力在 4 1 7 MP a时 ， 摩擦力与轴向坐封载荷之间基本呈线性关系。 3 ) 拟合 出了单 级 Y3 4 1 1 1 4型 压 缩 式封 隔器 胶 筒所 受摩擦 力 与轴 向载荷 的关 系式 。 4 ) 通过 进 行 Y3 4 1 1 4型 注水 封 隔 器胶 筒 模 拟 加载 试验 ， 更加 准 确地 获 得 胶 筒对 套 管 摩擦 力 的 大小及摩擦力大小 随轴 向坐封压力的变化规律 ， 为 现场细分层注水管柱的力学行为研究提供 了有价值 的试验数据。 参考文献 ： E 1 陈磊 ， 章发 明， 杨永安 ， 等 封 隔器性能检测 系统 的应 用口 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 1 1 ) ： 6 0 6 3 2 赵晓伟 ， 牛彩云 ， 朱洪征 ， 等 单封 隔器抽油管柱受 力变