尾管固井用牽制短節(jié)的研制與應(yīng)用

馮麗瑩， 郭朝輝， 陳志峰， 杜鵬德， 袁大勇

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

由于短尾管固井時懸掛尾管短，重量輕，加之深井、超深井和大斜度井起下管柱摩阻大，尾管懸重和摩阻相當(dāng)，丟手困難，上提送入鉆具時，通過指重表不易判斷丟手是否成功，易發(fā)生尾管懸掛器及尾管串隨送入鉆具提出的井下故障[1-3]。目前,通常通過改進下套管技術(shù)、采用懸掛器不坐掛脫扣分離技術(shù)等一系列復(fù)雜固井技術(shù)措施來保證尾管固井作業(yè)順利進行[2]，但這些技術(shù)措施實施起來比較復(fù)雜。為此，筆者研制了尾管固井用牽制短節(jié)。

1 牽制短節(jié)的結(jié)構(gòu)及工作原理

短尾管固井時，存在丟手困難及通過指重表不易判斷丟手是否成功的問題，為此，設(shè)計增加一個配套的牽制短節(jié)，在上提送入鉆具時，牽制短節(jié)鎖住尾管懸掛器及尾管串，給其提供一個向下的牽制力，相當(dāng)于使尾管重量增加，使其超過丟手阻力，利于丟手，而且可以通過指重表明確判斷丟手是否成功。

1.1 結(jié)構(gòu)

牽制短節(jié)由本體、液缸、調(diào)整環(huán)、錐套和解鎖環(huán)等部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 牽制短節(jié)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of holddown sub1.本體；2.鎖定剪釘；3.液缸；4.調(diào)整環(huán)；5.卡瓦；6.錐套；7.解鎖環(huán)；8.卡環(huán)；9.扶正環(huán)

扶正機構(gòu)由扶正環(huán)和卡環(huán)組成，位于心軸的下部，直徑最大，起扶正作用，同時可以保護液缸，避免液缸在入井過程中受到碰撞。液缸和卡瓦依次套在本體上，液缸位于卡瓦上部，與本體以剪釘相連。卡瓦為內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，下入過程中可起到保護卡瓦的作用[4]?？ㄍ吆湾F套鎖定時的接觸方式為面接觸，且卡瓦牙面保持水平，增大了鎖定時卡瓦與上層套管的接觸面積，使鎖定更可靠。

1.2 工作原理

牽制短節(jié)連接在尾管懸掛器的下方與尾管懸掛器配套使用。牽制短節(jié)與尾管懸掛器配合固井時的入井管串為：送入鉆具+密封總成+尾管懸掛器+牽制短節(jié)+尾管膠塞+尾管串+球座+尾管+浮箍+尾管+浮鞋。下面結(jié)合尾管固井程序介紹牽制短節(jié)的工作原理。

當(dāng)尾管串下至設(shè)計位置開始循環(huán)后，從井口投球，當(dāng)球到達球座位置時，循環(huán)通道堵死，壓力開始上升，當(dāng)壓力升至7～8 MPa時，尾管懸掛器液缸上的剪釘被剪斷，推動卡瓦上行楔緊在錐體與上層套管間[5-8]。下放尾管串，坐掛尾管懸掛器。尾管懸掛器成功坐掛后，鉆具下壓50～100 kN，憋壓至14 MPa左右，牽制短節(jié)液缸上的剪釘被剪斷，推動牽制短節(jié)的卡瓦下行楔緊在錐套與上層套管間，牽制短節(jié)鎖定，限制尾管懸掛器及尾管串上行，可有效解決尾管串在井內(nèi)移動的問題。牽制短節(jié)鎖定后進行倒扣，將送入鉆具與尾管串分離。丟手成功后，繼續(xù)憋壓至20 MPa，球從膠塞下部脫出，下落到套管底部的承托座上，循環(huán)通道暢通，開始注水泥，當(dāng)注水泥量達到設(shè)計值時，壓入鉆桿膠塞。當(dāng)鉆桿膠塞與中心管下部的尾管膠塞復(fù)合并運行至碰壓座位置時，實現(xiàn)碰壓。待注水泥和替漿作業(yè)完成后，上提送入鉆具，密封擋塊脫離密封外殼，解除密封，循環(huán)出多余的水泥漿后，起鉆，候凝。若牽制短節(jié)提前鎖定需要解鎖時，則上提送入鉆具，當(dāng)上提力超過300 kN(不包括浮重)時，解鎖剪釘被剪斷，解鎖機構(gòu)下行至扶正環(huán)處，卡瓦與錐套發(fā)生相對位移且卡瓦恢復(fù)鎖定前狀態(tài)，牽制短節(jié)解鎖。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

QD-A型φ127.0 mm牽制短節(jié)的主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑150.0 mm，最小內(nèi)徑108.6 mm；長度1 180 mm；整體密封壓力25 MPa；軸向抗拉力大于1 700 kN；鎖定壓力12～14 MPa(可調(diào))；解鎖力300～350 kN(可調(diào))；適用尾管壁厚9.19 mm；適用尾管公稱線重量258.1 kN/m；適用套管壁厚10.36和11.51 mm；適用套管公稱線重量432.0和476.6 kN/ m。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元仿真分析

2.1 鎖定機構(gòu)設(shè)計

卡瓦和錐套組成鎖定機構(gòu)，是牽制短節(jié)中最重要的零部件?？ㄍ咂瑸檎w式，且與錐套接觸的面為平面，卡瓦牙與整個機構(gòu)軸線成一定的角度(見圖2)。在卡瓦片根部設(shè)計有倒角，可避免應(yīng)力集中。錐套與卡瓦的接觸面為平面，保證牽制短節(jié)鎖定時，卡瓦和錐套之間形成面面接觸，增大承載面，使鎖定更為可靠。錐套上銑有8個過流槽(見圖3)，以增大牽制短節(jié)鎖定前后的環(huán)空過流面積。

圖2 卡瓦Fig.2 Structure of slip

圖3 錐套Fig.3 Structure of taper sleeve

2.1.1 補償角設(shè)計

與尾管懸掛器的卡瓦相比，牽制短節(jié)的卡瓦剛性小、彈性較大，所以采用補償角的設(shè)計方法。設(shè)計補償角的優(yōu)點是在牽制短節(jié)鎖定時，可使卡瓦牙和上層套管內(nèi)壁更好地接觸，且接觸面積大，鎖定更加可靠。

如圖4所示，卡瓦牙所在直線與整個機構(gòu)軸線所成夾角為α，錐套斜面與水平面所成夾角為α1,卡瓦爬行斜面與水平面所成夾角為α2，卡瓦到錐套最高點的爬行距離為L，卡瓦外徑D1，上層套管內(nèi)徑D2，補償角α=α1-α2。卡瓦爬至錐套最高點時的直徑為2Ltanα2+D1，當(dāng)2Ltanα2+D1>D2時，即滿足鎖定要求。

圖4 牽制短節(jié)的鎖定機構(gòu)Fig.4 Locking mechanism of holddown sub

2.1.2 卡瓦內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計

卡瓦內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)設(shè)計,不僅可以很好地保護卡瓦，還可以增大牽制短節(jié)鎖定后的環(huán)空過流面積。

2.2 解鎖機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)施工工藝及牽制短節(jié)的工作原理，解鎖環(huán)上設(shè)計有10個解鎖剪釘孔，可以根據(jù)現(xiàn)場解鎖力來調(diào)整解鎖剪釘數(shù)量。解鎖原理：牽制短節(jié)本體相對卡瓦和錐套發(fā)生位移，當(dāng)上提力達到解鎖力時，解鎖剪釘被剪斷，解鎖機構(gòu)下行，卡瓦和錐套脫離，實現(xiàn)解鎖。

2.3 鎖定機構(gòu)有限元仿真分析

利用有限元分析軟件ABAQUS對牽制短節(jié)鎖定時的鎖定機構(gòu)進行有限元分析。由于卡瓦、錐套及上層套管均為對稱結(jié)構(gòu)，為減少仿真分析時間，簡化有限元分析模型，筆者取1/2模型進行分析。另外，為提高工作效率及計算精度，上層套管采用映射網(wǎng)格劃分，卡瓦和錐套的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用自由網(wǎng)格劃分，建立的有限元分析模型如圖5所示。

圖5 牽制短節(jié)鎖定機構(gòu)的有限元分析模型Fig.5 Finite element analysis model of locking mechanism of holddown sub

根據(jù)牽制短節(jié)鎖定機構(gòu)的工作原理，上層套管及錐套右端面施加軸向約束，整個鎖定機構(gòu)1/2剖面施加軸對稱約束，在卡瓦左端面施加軸向位移載荷。由于牽制短節(jié)在工作過程中，卡瓦和錐套、上層套管的接觸位置時時變化，因此需要定義卡瓦斜面與錐套斜面之間的接觸和卡瓦牙頂與上層套管內(nèi)表面之間的接觸。圖6為采用有限元法計算得到的牽制短節(jié)鎖定機構(gòu)的應(yīng)力分布。

圖6 牽制短節(jié)鎖定機構(gòu)應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of locking mechanism of holddown sub

從圖6可以看出，鎖定機構(gòu)卡瓦根部的應(yīng)力最大(2 479 MPa)，而制作卡瓦材料的屈服強度為835 MPa，因此卡瓦根部發(fā)生塑性變形?？ㄍ哐理?shù)淖畲髴?yīng)力為400 MPa，安全系數(shù)為2.09，滿足設(shè)計要求。

3 室內(nèi)性能評價

為了驗證牽制短節(jié)是否達到設(shè)計要求，分別采取單元試驗及與尾管懸掛器的聯(lián)機試驗進行了地面性能試驗，以檢驗牽制短節(jié)的各項技術(shù)指標。試驗裝置如圖7所示。

圖7 牽制短節(jié)試驗裝置Fig.7 Testing device for holddown sub1.加壓下封頭；2.變絲；3.牽制短節(jié)；4.套管；5.加壓上封頭

3.1 單元試驗

由于牽制短節(jié)在反向鎖定后依然要承受液壓力，因此針對該受力狀態(tài)在地面進行了整體密封試驗。試驗時將牽制短節(jié)放置在高壓試驗槽中，以清水為循環(huán)介質(zhì)，連接氣動試驗泵，開泵加壓至35 MPa，15 min內(nèi)無壓降，說明牽制短節(jié)密封良好，其整體密封能力可達35 MPa。

將連接好上、下封頭及加壓管線的牽制短節(jié)，安放在模擬井眼(內(nèi)徑為154.8或157.1 mm的φ177.8 mm套管)內(nèi)，模擬井眼放置在拉伸試驗機上，從牽制短節(jié)加壓上封頭加壓，壓力升至12～14 MPa時，壓力突然下降，判斷鎖定剪釘被剪斷，牽制短節(jié)鎖定。卸下水嘴，用拉伸試驗機拉上封頭，當(dāng)拉力達到300～350 kN時，拉力突然降至0，判斷解鎖剪釘被剪斷，牽制短節(jié)解鎖。在內(nèi)徑為154.8或157.1 mm的φ177.8 mm的套管中進行了5次單元性能試驗，牽制短節(jié)均能實現(xiàn)鎖定功能及解鎖功能。

3.2 聯(lián)機試驗

為了驗證牽制短節(jié)的各項技術(shù)指標是否達到設(shè)計要求，將牽制短節(jié)與常規(guī)尾管懸掛器及內(nèi)嵌卡瓦尾管懸掛器聯(lián)機，進行了5次聯(lián)機試驗。

將牽制短節(jié)與尾管懸掛器連接，并連接好上、下封頭及加壓管線，安放在模擬井眼(內(nèi)徑154.8或157.1 mm的φ177.8 mm套管)內(nèi)，從牽制短節(jié)加壓上封頭加壓，壓力升至7～8 MPa時，突然下降，判斷尾管懸掛器的坐掛剪釘被剪斷，尾管懸掛器坐掛；然后繼續(xù)加壓至12～14 MPa時，突然下降，判斷牽制短節(jié)的鎖定剪釘被剪斷，牽制短節(jié)鎖定。卸下加壓管線，將其平放在拉伸試驗機上，固定好，用拉伸試壓機拉上封頭，當(dāng)拉力達到300～350 kN時，突然降至0，判斷牽制短節(jié)解鎖剪釘被剪斷，牽制短節(jié)解鎖。

3.3 試驗結(jié)果分析

每次單元試驗和聯(lián)機試驗后，將模擬井眼一端抬高，牽制短節(jié)可自動滑出井眼，且解鎖環(huán)相對扶正環(huán)的位置縮小，可判斷牽制短節(jié)解鎖。解鎖后的卡瓦和錐套完好，且卡瓦最大外徑小于錐套和扶正環(huán)最大外徑，卡瓦和錐套可重復(fù)使用。

牽制短節(jié)的設(shè)計指標：在內(nèi)徑154.8或157.1 mm的φ177.8 mm套管內(nèi)，鎖定壓力12～14 MPa，10個解鎖剪釘?shù)慕怄i力300～350 kN。5次單元試驗結(jié)果：牽制短節(jié)在內(nèi)徑154.8或157.1 mm的φ177.8 mm套管內(nèi)，鎖定壓力10.6～14.0 MPa，10個解鎖剪釘?shù)慕怄i力300～350 kN。5次聯(lián)機試驗結(jié)果：牽制短節(jié)在內(nèi)徑154.8或157.1 mm的φ177.8 mm套管內(nèi)，鎖定壓力11.8～13.4 MPa，10個解鎖剪釘?shù)慕怄i力300～350 kN。這表明牽制短節(jié)的各項技術(shù)指標達到了設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

牽制短節(jié)研制成功后，先后在 WZ12-1-B3S1井、WZ12-1-B15S1井和NP36-P3001井進行了現(xiàn)場應(yīng)用，這3口井均為短尾管固井，3口井尾管懸掛器坐掛、丟手均一次成功，并且能通過指重表明確判斷丟手是否成功，驗證了牽制短節(jié)的可靠性。

WZ12-1-B3S1井是1口調(diào)整井，上層是內(nèi)徑157.1 mm的φ177.8 mm套管，懸掛φ114.3 mm尾管，由于φ114.3 mm尾管短，尾管串入井后的質(zhì)量僅4.4 t，而鉆具在上提下放過程中的摩阻高達295 kN。該井固井存在以下難點：1)鉆具變徑接頭較多，容易卡住小膠塞；2)環(huán)空間隙小，尾管串下至設(shè)計位置后開泵困難、且泵壓較高，容易在尾管懸掛器處發(fā)生憋堵，精確碰壓困難；3)摩阻大，丟手不易判斷。為此，采用牽制短節(jié)與尾管懸掛器配合的方法，解決丟手不易判斷的難題。

該井所采用的牽制短節(jié)規(guī)格為φ177.8 mm×φ127.0 mm，鎖定壓力為12～14 MPa，解鎖力300～350 kN，最大外徑為150.0 mm。

現(xiàn)場施工中，尾管懸掛器的坐掛壓力10 MPa，牽制短節(jié)的鎖定壓力15 MPa，尾管懸掛器坐掛、牽制短節(jié)的鎖定和丟手一次成功。丟手過程中，通過指重表明確判斷丟手成功，驗證了牽制短節(jié)的鎖定能力。

5 結(jié)論和建議

1) 通過有限元分析及地面性能試驗，驗證了牽制短節(jié)強度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可以順利實現(xiàn)鎖定及解鎖功能，并具有鎖定能力強、鎖定后卡瓦處過流面積大以及卡瓦入井保護效果好等優(yōu)點。

2) 現(xiàn)場試驗表明，應(yīng)用牽制短節(jié)能夠解決由于懸掛尾管短，重量輕，深井、超深井和大斜度井起下管柱摩阻大，造成的丟手不易判斷及丟手困難等問題。

3) 建議進行牽制短節(jié)的推廣應(yīng)用及系列化工作，以便解決其他尺寸短尾管固井作業(yè)中存在的問題。

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