在目前的深海油气开采过程中,水下井口的密封主要通过多层套管悬挂器与井口密封包组合的方式来实现,而井口密封包的关键在于密封件。但常规的橡胶密封件不能满足高压密封的要求,常规的金属密封件使用时难以快速形成预密封,不能满足中、低压密封的要求。文章设计了一种金属与非金属组合环空密封件,通过ANSYS软件对该密封件进行有限元分析,并进行压力/温度循环仿真试验,对其密封性能和强度进行验证。分析及试验结果表明,该型密封件设计满足水下井口环空密封需求。

基于南海东部某海域的钻井资料,运用热力、结构力学理论,建立水下井口的热-结构力学轴对称有限元模型,运用ANSYS软件对海床以上井口的轴向热膨胀力进行计算。采用经典理论计算套管串由于热膨胀在井口产生的力,对环空密封总成的长期密封完整性进行评估。结果表明,在4285 m井深和正常温度压力条件下,由于流体热循环在套管挂处产生向上的力为2811 kN,而环空密封总成锁环工作能力为3247 kN,因此,环空密封总成锁环可抵抗热膨胀产生的向上的力。为确保油井生命周期的井口安全,提出在套管挂顶部下入锁紧补芯,以限制套管挂和密封总成在生产过程中由于热膨胀而向上移动。上述评估方法及措施为水下井口在生产过程中的密封完整性评估提供参考。