一种试油测试封隔器胶筒设计方法技术

本发明专利技术公开了发明专利技术了一种试油测试封隔器胶筒设计方法，既能满足密封要求，又不影响后期起钻。几何防肩凸判据：胶筒端部斜面的长度为半径作圆弧，与套管必须相割的端面形状特征；力学防肩凸判据：以在压差条件下，胶筒外环面的摩擦力能够抵挡支撑环与套管形成的压力环面上的压力，胶筒密封部分不会滑动；另外给出了满足密封条件的胶筒尺寸判据公式。采用本方法设计的封隔器胶筒，它依靠自身变形的力学特征来克服“肩突”情况发生，而不使用辅助防突结构，满足大压差下胶筒的密封，从本质上解决胶筒使用防突辅助结构的隐患和弊端，既能满足密封要求，又不影响后期起钻。

【技术实现步骤摘要】
一种试油测试封隔器胶筒设计方法
本专利技术涉及石油钻井行业中的试油测试封隔器胶筒

技术介绍
我国深层、超深层天然气开发逐步被大规模开发。这些储层一个典型的特点是高压特征：地层压力高，储层改造压力高，给试油测试作业的井筒安全保障带来了严峻的挑战。封隔器是试油测试作业的关键工具，承担封隔油套环空(需要的封隔力达到105MPa)，保障井筒安全的重任。胶筒是封隔器的核心部件，是密封作用的直接执行者，其在井下的承压性能决定着试油测试作业的成败。一般情况下，胶筒在大封隔压差下(大于70MPa)容易失效，主要表现在：承受压差时，胶筒径向胀大；在压差的推力作用下，胶筒端部外缘与封隔器的支撑环外缘就存在剪切作用，当压差较大时，这个剪切作用超过橡胶材料的抗剪切极限，就出现了胶筒端部突出，并逐步蠕变，导致胶筒整体压缩特征发生变化，最后密封失效。由于胶筒肩部突出是塑性变形，胶筒解封后，胶皮仍卡在套管与封隔器间的缝隙里，出现后期起管柱也很困难。为了解决测试封隔器胶筒的这个问题，目前唯一的办法就是通过设计胶筒辅助防突结构。具有代表性有：公开号为105401913A，公开日为2016年3月16日的中国专利文献公开了一种封隔器胶筒的防突结构，包括螺旋拉伸弹簧与填充环，所述填充环由多个填充小块依次填满在螺旋拉伸弹簧内孔空间构成，所述填充小块呈内弯曲的圆弧棒小块；然后将所述螺旋拉伸弹簧首尾端进行焊接，形成一个完整的圆环，就可以整体加工到压缩式胶筒肩部的一种封隔器胶筒防突结构。其方案是在胶筒端部安装弹簧，把弹簧通过硫化与胶筒融合为一体，在胶筒受压时，弹簧也跟着压缩变形沿着胶筒向径向扩张，这样弹簧就背靠在封隔器支撑环上抵挡住了胶筒的边缘，防止了胶筒剪切突出，保持胶筒整体压缩力学特征稳定。这种结构，有以下缺点，胶筒与金属的硫化融合工艺复杂，成本较高，特别是井下高温高压环境下仍然要保持良好融合较为困难，这使胶筒力学特征的整体性失效埋下隐患，影响胶筒密封性能的可靠性；另外当胶筒坐封力失去后，由于受弹簧过载压缩后不可恢复的影响，胶筒端部整体上变形恢复较少，这样端部外径就较大，存在影响后期起钻可能。另外，公开号为105909206A，公开日为2016年8月31日的中国专利文献公开了闭式压缩胶筒密封单元。所述闭式压缩胶筒密封单元，安装于套管组件内，包括支撑环、保护环、端面胶筒及中心胶筒，所述支撑环、保护环、端面胶筒的数量均为两个，所述两个端面胶筒对称设于所述中心胶筒的两相对端部，所述保护环和所述支撑环依次覆盖于所述端面胶筒远离所述中心胶筒的一端。其公开的防突结构方案是在端部设置支持保护环，但这种模式一般用于完井胶筒，简单得说就是坐封后，不再解封起钻，如果用作测试封隔胶筒，其端部保护由于变形后外径不可恢复且与管柱内井一样大，会导致卡在无法起钻。
技术实现思路
本专利技术旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种试油测试封隔器胶筒设计方法，采用本方法设计的封隔器胶筒，它依靠自身变形的力学特征来克服“肩突”情况发生，而不使用辅助防突结构，满足大压差下胶筒的密封，从本质上解决胶筒使用防突辅助结构的隐患和弊端，既能满足密封要求，又不影响后期起钻。本专利技术是通过采用下述技术方案实现的：一种试油测试封隔器胶筒设计方法，其特征在于：(1)基本参数胶筒为空心纺锤体结构，其中心孔的内径r，胶筒端部的小端面半径R1，胶筒中部半径R2，胶筒端部轴向长度L1，胶筒中部轴向长度L2；套管或油管内径R3；(2)尺寸设计胶筒尺寸设计，根据预期目标，按照胶筒的工作方式，在每一步从尺寸结构上进行限制，逐步达到：第一步：胶筒在支撑环的推靠作用下，沿着中心轴移动逐步压缩，最终坐封贴于套管，由于胶筒是刚性，压缩前后体积不变，则胶筒压缩后的长度L4为：应变ε为:为保持胶筒的弹性特征，ε取0.2以下：在坐封压实后，胶筒端面形状采用以下特征：以胶筒端部斜面的长度为半径作圆弧，与套管必须相割，即：第二步：胶筒坐封后，进行密封承压，密封承压下的胶筒与套管之间的接触应力计算：PK＝PK1+PK2(5)其中，PK为接触应力的合力，PK1为压差作用外环面上而产生在胶筒与套管之间的接触挤压应力，PK2为压差作用在内环面上而产生在胶筒与套管之间的接触挤压应力；为保证较好的密封条件，那么使得胶筒上每个点的接触应力都大于△P，则只要保证最小应力点的位置满足条件即可，由式(5)、式(6)和式(7)，则有：第三步：为防止肩凸，不仅需要满足几何结构上防凸，更要在在力学性能上也满足防凸要求，那么在压差条件下，必须保证胶筒与套管之间的摩擦力Ff能够抵挡作用在外环面上的压力FP，外环面对应的胶筒密封部分才不会滑动，才不会发生肩凸。即满足Ff>FP摩擦力总和：压力环面上的压力：则有：通过式(3)、式(4)、式(8)和式(9)，即可算出胶筒的尺寸参数。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果如下：采用本专利技术所述的设计方法，它依靠自身变形的力学特征来克服“肩突”情况发生，而不使用辅助防突结构，满足大压差下胶筒的密封，从本质上解决胶筒使用防突辅助结构的隐患和弊端，既能满足密封要求，又不影响后期起钻。附图说明下面将结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，其中：图1为胶筒外形图；图2为胶筒坐封前状态图；图3为胶筒坐封后状态图。图中标号：1、胶筒，2、中心孔，3、胶筒端部，301、端部斜面，302、端表面，4、胶筒中部，5、胶筒密封部分，6、套管，7、支撑环，8、中心轴，9、外环面，10、内环面。具体实施方式本专利技术公开了一种依靠自身变形的力学特征来克服“肩突”发生的胶筒设计方法，既能满足密封要求，又不影响后期起钻。(1)基本参数胶筒为空心纺锤体结构，其中心孔的内径r，胶筒端部的小端面半径R1，胶筒中部半径R2，胶筒端部轴向长度L1，胶筒中部轴向长度L2；套管或油管内径R3；(2)尺寸设计胶筒尺寸设计，根据预期目标，按照胶筒的工作方式，在每一步从尺寸结构上进行限制，逐步达到：第一步：胶筒在支撑环的推靠作用下，沿着中心轴移动逐步压缩，最终坐封贴于套管，由于胶筒是刚性，压缩前后体积不变，则胶筒压缩后的长度L4为：应变ε为:为保持胶筒的弹性特征，ε取0.2以下：在坐封压实后，一方面保证胶筒在几何上不发生“肩凸”，另一方面，为给胶筒端部的端部斜面提供一个沿表面方向压缩力，以增加胶筒端部的密实程度，对端部进行强化，胶筒端面形状采用以下特征：以胶筒端部斜面的长度为半径作圆弧，与套管必须相割，即：第二步：胶筒坐封后，进行密封承压，根据密封原理，接触力必须大于密封压差。密封承压下的胶筒与套管之间的接触应力计算：PK＝PK1+PK2(5)其中，PK为接触应力的合力，PK1为压差作用外环面上而产生在胶筒与套管之间的接触挤压应力，PK2为压差作用在内环面上而产生在胶筒与套管之间的接触挤压应力；为保证较好的密封条件，那么使得胶筒上每个点的接触应力都大于△P，则只要保证最小应力点的位置满足条件即可，由式(5)、式(6)和式(7)，则有：第三步：为防止肩凸，不仅需要满足几何结构上防凸，更要在在力学性能上也满足防凸要求，那么在压差条件下，必须保证胶筒与套管之间的摩擦力Ff能够抵挡作用在外环面上的压力FP，外环面对应的胶筒密封部分才不会滑动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种试油测试封隔器胶筒设计方法，其特征在于：(1)基本参数胶筒为空心纺锤体结构，其中心孔的内径r，胶筒端部的小端面半径R1，胶筒中部半径R2，胶筒端部轴向长度L1，胶筒中部轴向长度L2；套管或油管内径R3；(2)尺寸设计胶筒尺寸设计，根据预期目标，按照胶筒的工作方式，在每一步从尺寸结构上进行限制，逐步达到：第一步：胶筒在支撑环的推靠作用下，沿着中心轴移动逐步压缩，最终坐封贴于套管，由于胶筒是刚性，压缩前后体积不变，则胶筒压缩后的长度L4为：

【技术特征摘要】
1.一种试油测试封隔器胶筒设计方法，其特征在于：(1)基本参数胶筒为空心纺锤体结构，其中心孔的内径r，胶筒端部的小端面半径R1，胶筒中部半径R2，胶筒端部轴向长度L1，胶筒中部轴向长度L2；套管或油管内径R3；(2)尺寸设计胶筒尺寸设计，根据预期目标，按照胶筒的工作方式，在每一步从尺寸结构上进行限制，逐步达到：第一步：胶筒在支撑环的推靠作用下，沿着中心轴移动逐步压缩，最终坐封贴于套管，由于胶筒是刚性，压缩前后体积不变，则胶筒压缩后的长度L4为：应变ε为:为保持胶筒的弹性特征，ε取0.2以下：在坐封压实后，胶筒端面形状采用以下特征：以胶筒端部斜面的长度为半径作圆弧，与套管必须相割，即：第二步：胶筒坐封后，进行密封承压，密封承压下的胶筒与套管之间的接触应力计算：...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩雄，庞东晓，潘登，林轶斌，王志敏，温杰文，赵益秋，张文斌，郭鸣，朱铁栋，
申请(专利权)人：中国石油集团川庆钻探工程有限公司，中国石油天然气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51