一種新型的雙向承壓可取式橋塞的研究

徐興權(quán) (江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 潛江 433124)

一種新型的雙向承壓可取式橋塞的研究

徐興權(quán) (江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 潛江 433124)

為了滿足試油、堵水、酸化、壓裂等工藝措施的需要，研究了一種新型雙向承壓可取式橋塞，其密封部分由2組高溫高壓膠筒組成，打撈部分設計為撈筒，中間還設計了泄壓機構(gòu)。該橋塞結(jié)構(gòu)簡單, 具有液壓坐封、雙向卡瓦錨定、雙向承高壓、可取性好、打撈油管可退撈矛打撈等特點,是油田卡堵水、分層采油的理想配套工具。為確保承高壓的安全性，還對關(guān)鍵部件進行了強度校核，并在現(xiàn)場進行了應用?，F(xiàn)場應用情況表明, 新型雙向承壓可取式橋塞及配套工具結(jié)構(gòu)合理，施工工藝簡單易行，在后續(xù)措施施工過程中密封性能良好,起到了成功封堵底層和承受高壓的作用。

可取式橋塞；結(jié)構(gòu)；原理；計算；封堵；應用

目前，國內(nèi)外各大油田利用橋塞組成的工藝管柱已在試油、堵水、酸化、壓裂等措施中得到了廣泛的應用，但從解封形式分，有可取式和永久式(即可鉆式)2種形式?？摄@橋塞一般均由電纜下入井中，靠爆炸方法將動力由助座器傳遞給橋塞，實施坐封、丟手；該橋塞無解封機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，易鉆磨，工藝技術(shù)完善，工具系列配套，在國內(nèi)外得到廣泛的應用[1]。國內(nèi)該技術(shù)發(fā)展較快的是新疆油田，但在使用中仍有一定局限，如對作業(yè)質(zhì)量要求高，必須一次坐封成功，且只能鉆銑解封。而可取式橋塞在現(xiàn)場應用中還存在諸多問題，如中途丟手、坐封、打撈不可靠、雙向承壓低、解封和解卡困難等等。為此, 筆者研究了一種新型雙向承壓可取式橋塞。

1 橋塞的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1結(jié)構(gòu)

新型橋塞的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—上接頭環(huán)；2—防撞環(huán)；3—坐封剪釘；4—活塞套；5—球座；6—防撞球座；7—外套活塞；8—鎖球；9—丟手接頭；10—撈筒；11—丟手剪釘；12—心軸；13—解封剪釘；14—上膠筒座；15—鎖套；16—鎖芯；17—下膠筒座；18—卡瓦套；19—鎖塊座；20—鎖塊；21—鎖簧；22—箍簧；23—卡瓦；24—連接管；25—膠筒；26—錐桿；27—底座。圖1 新型橋塞結(jié)構(gòu)示意圖

1)坐封坐卡部分 由上接頭、防撞環(huán)、防撞球座、活塞套、外套活塞、鎖球、丟手接頭、活塞套、坐封剪釘?shù)冉M成。

2)密封部分 由上膠筒座、下膠筒座及2組膠筒等組成。

3)泄壓部分 由連接管、錐桿、彈簧、底座等組成。

4)錨定部分 由上錐體、卡瓦、下錐體、卡瓦套及壓環(huán)等組成。

5)打撈部分 由撈筒、撈矛等組成。

1.2工作原理

1)橋塞的坐封過程 把橋塞連接在管柱最下端下入井內(nèi)，油管內(nèi)投入鋼球，待鋼球坐在球座上時，油管內(nèi)加液壓，液壓通過球座和丟手接頭的孔眼作用在活塞和外套上，同時由于鎖球的鎖定作用，外套帶動活塞套下行，剪斷坐封剪釘，推動上膠筒座、鎖套下行，壓縮膠筒，在膠筒的作用下，推動下膠筒座、上錐體下行，推開卡瓦；外套、活塞套繼續(xù)下行，鎖球失去鎖定作用，活塞帶動丟手接頭、心軸、鎖芯、鎖塊座、鎖塊、鎖簧、連接管、底座上行，壓縮膠筒，在膠筒的作用下，推動下錐體上行，推開卡瓦；繼續(xù)加液壓，卡瓦繼續(xù)推開，完成坐卡。活塞繼續(xù)上行、外套繼續(xù)下行，壓縮2組膠筒，2組膠筒之間的液體通過連接管上的小孔，流入到連接管內(nèi)，推動錐桿下行，流出橋塞，鎖簧進入鎖套內(nèi)，鎖簧外部的鋸齒螺紋與鎖套的內(nèi)部鋸齒螺紋嚙合，形成步進鎖緊機構(gòu)，保證膠筒始終處于被壓縮狀態(tài)，膠筒封隔油、套管環(huán)形空間，完成坐封，錐桿在彈簧作用下上行，封住連接管，使2組膠筒間形成密閉空間，橋塞坐封完畢。

2)橋塞的丟手過程 橋塞坐封后，油管內(nèi)繼續(xù)增加液壓，活塞帶動丟手接頭繼續(xù)上行，剪斷丟手剪釘，壓力突降，完成丟手。上提管柱，上接頭、防撞環(huán)、活塞套、球座、外套、鎖球、丟手接頭、活塞等隨油管起出井口。

3)橋塞的解封過程 打撈橋塞時，將專用打撈工具接在油管最下端，送進井內(nèi)，快到橋塞位置時，可用水正反洗井，沖去橋塞撈筒內(nèi)的沉砂，下放管柱，當打撈工具抓住撈筒時，上提油管，剪斷解封剪釘，拉動撈筒、鎖芯上移，露出鎖塊，心軸限位打開，上組膠筒失去壓縮力，恢復初始狀態(tài)，上錐體上移；在膠筒的彈力作用下，底座、連接管、心軸下移，膠筒失去壓縮力，恢復初始狀態(tài)，下錐體下行，卡瓦失去內(nèi)支撐，在箍簧的作用下，強制內(nèi)收，完成解卡。當上提力超過20kN仍未解卡時，可向油管內(nèi)投入鋼球，待鋼球坐在專用打撈工具內(nèi)時，油管內(nèi)加液壓，專用打撈工具的內(nèi)推桿在液壓作用下下移，推動心軸、連接管、下錐體向下移動，使卡瓦失去內(nèi)支撐，上提管柱，橋塞整體被提出。

2 技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點

2.1技術(shù)參數(shù)

最大鋼體外徑:114mm；總長:1000mm；適用套管內(nèi)徑:121～127mm；承受上壓:60MPa；承受下壓:60MPa；適用井溫: 120～150℃;兩端連接螺紋:2UPTBG;坐封壓力：15MPa；丟手壓力：20MPa；上提解封力：80～100kN。

2.2技術(shù)特點

1) 靈活的坐封方式 橋塞可以用電纜式坐封工具或液壓坐封工具送進坐封,只要視具體井況選擇合適的坐封工具即可。

2) 準確的坐封控制 橋塞坐封力可以準確控制,保證橋塞坐封安全可靠,同時,確保坐封工具在復雜情況下能安全起出井筒。

3) 可靠的防卡設計 卡瓦部分采用內(nèi)置式卡瓦結(jié)構(gòu),橋塞在井筒中起下時不易遇阻遇卡。坐封后,橋塞卡瓦、膠筒自動居中,可以在任意斜度的井中安全使用。

4) 獨特的封堵機構(gòu) 該橋塞利用卡瓦、卡瓦錐體、卡瓦外筒的組合成的錨定機構(gòu)與上下兩組膠筒組合成的密封機構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起形成具有良好的雙向承壓能力。

5) 安全的解封機構(gòu) 橋塞設計有鎖定機構(gòu),不管橋塞上下壓力是否平衡,所需解封力均很小，所以可以雙向承高壓能力強，可以滿足壓裂的需要。

2.3適用范圍

1)臨時性封堵油氣水層 在稠油井、大斜度井中,用液壓坐封工具送進坐封;在新井、直井中,用電纜坐封工具送進坐封。工藝過程:下鉆、校深、坐封、試壓,必要時可帶井下壓力計驗封[2]。

2)永久性封堵水層、漏失層等 在稠油井、大斜度井中,用液壓坐封工具送進坐封;在新井、直井中,用電纜坐封工具送進坐封。工藝過程如下:下鉆、校深、坐封、試壓、投灰(或注灰)。

3)水平井封堵 液壓坐封工具送進坐封。工藝過程如下:下鉆、校深、坐封、試壓。

4)選擇性封堵油、氣、水層 可取式橋塞與液壓封隔器配合使用,對某一小層或某幾個小層進行卡封,可實現(xiàn)對油、氣、水層的選擇性封堵。油管送進坐封,工藝過程如下：下鉆、校深、坐封、試壓。

3 橋塞關(guān)鍵部件強度校核

橋塞在井內(nèi)丟手后，主要承受上壓和下壓， 因此在60MPa的上壓作用和60MPa的下壓作用下，橋塞關(guān)鍵部件的參數(shù)確定至關(guān)重要。

1)錨定件卡瓦的強度校核 經(jīng)計算，卡瓦的工作應力σ=253N/mm2。查《機械工程材料手冊》，卡瓦材料QT600-2的許用應力[σ]=370N/mm2?？梢姦襩t;[σ]，故卡瓦能滿足強度要求。

2)中心管危險斷面的強度校核 經(jīng)計算，中心管危險斷面實際工作拉應力：σ=87N/mm2。設計中心管材料45號鋼，查《機械設計手冊》知σb=600N/mm2； 取安全系數(shù)為2， 則許用拉應力[σ]=300N/mm2。因σlt;[σ]，故中心管抗拉強度合格。

3)鎖塊的強度校核 經(jīng)計算，實際擠壓強度：

σj=475.3mm2

實際剪切強度：

τ=60.7N/mm2

鎖塊材料為35CrMo，查《機械設計手冊》知σb=735N/mm2，取安全系數(shù)為n=1.3則[σb]=565.4N/mm2，則：

[σj]=1.5×[σb]=848.1N/mm2[τ]=0.8×[σb]=452.3N/mm2

可見，σjlt;[σj]，τlt;[τ]，故鎖塊強度能滿足要求。

通過上面橋塞關(guān)鍵部件的校核，確定的參數(shù)是合理的，橋塞是是可以承受60MPa上壓和60MPa下壓的。

4 現(xiàn)場應用情況

該橋塞在反復試驗、改進、完善的基礎上,先后在多口井上進行了推廣應用,均獲一次成功。部份井施工數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 可取式橋塞部份井現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)表

現(xiàn)場應用情況表明, 新型雙向承壓可取式橋塞及配套工具結(jié)構(gòu)合理，施工工藝簡單易行，在后續(xù)措施施工過程中密封性能良好,起到了成功封堵底層和承受高壓的作用。

5 結(jié) 語

新型雙向承壓可取式橋塞獨特的結(jié)構(gòu)使得橋塞起下順暢,封堵可靠,解封便利,具有良好的雙向承壓能力, 可以很好地滿足卡堵水、試油、酸化、壓裂等施工的需要，并可有效簡化施工工藝，降低作業(yè)成本,使用方便、安全可靠、功能齊全、適用范圍廣,它的應用從根本上解決了薄層封堵、深井及大斜度井封堵的技術(shù)難題,具有廣泛的推廣應用前景。

[1]趙遠綱，王祿群，分層開采工藝管柱[M].北京：石油大學出版社,1994.

[2]謝建華, 劉崇江, 趙驪川，等. 橋塞壓裂工藝技術(shù)[J]. 大慶油田地質(zhì)與開發(fā), 2004, 32(4): 38～39.

[3]濮良貴. 機械設計[M] . 北京:高等教育出版社,1993.

[編輯] 洪云飛

TE931.2

A

1673-1409(2009)02-N054-03

2009-02-23

徐興權(quán)(1967-)，男，1989年大學畢業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事機械采油工藝技術(shù)方面的研究工作。