自鎖式封隔管柱的設計與應用

劉成貴尚玉星王海龍吐爾遜江·吐爾地董喬云（.新疆油田公司準東采油廠井下技術作業(yè)公司， 新疆阜康 85；.新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)， 新疆克拉瑪依 840000；.鑫源石化機械有限公司， 江蘇鹽城 4400）

引用格式：劉成貴，尚玉星，王海龍，等.自鎖式封隔管柱的設計與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：109-112.

自鎖式封隔管柱的設計與應用

劉成貴1尚玉星2王海龍1吐爾遜江·吐爾地1董喬云3（1.新疆油田公司準東采油廠井下技術作業(yè)公司， 新疆阜康 831511；2.新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)， 新疆克拉瑪依 840000；3.鑫源石化機械有限公司， 江蘇鹽城 224400）

引用格式：劉成貴，尚玉星，王海龍，等.自鎖式封隔管柱的設計與應用［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：109-112.

摘要：Y221封隔器廣泛地應用在隔抽管柱上，但常規(guī)Y221封隔器坐封后，在壓重作用下，封隔器以上的油管、泵筒會在軸向上彎曲變形，加劇管桿偏磨，增加抽油機負荷，針對此現(xiàn)象，研制了一種自鎖式Y221封隔器。闡述了該種封隔器的工作原理，并且針對封隔器膠筒的合理壓重，對封隔器卡瓦的錨定力進行了校驗，對解封負荷進行了計算。此外，還設計了配套的自鎖式Y221封隔器的坐封工具，使得卸載壓重后，封隔器既不解封，油管掛還能順利坐入井口，實現(xiàn)管柱的入井回接。由于在封隔器內(nèi)部增加了自鎖機構及雙級解封機構，封隔器坐封后，當釋放掉壓重時，封隔器依然能夠保持坐封狀態(tài)，封隔器上部管柱處于自由狀態(tài)，從而減少了抽油桿的上下行摩阻及抽油機負荷。但該管柱在自鎖方面有其局限性，即雖然可多次坐封，但只能第1次坐封后可以自鎖，再次坐封后不能自鎖。

關鍵詞：自鎖Y221封隔器； 隔抽管柱；管桿偏磨； 釋放壓重；節(jié)能降耗

針對復雜的油井出水情況，隔水抽油管柱成為油田主要的穩(wěn)油控水手段之一。目前彩南油田應用的隔抽管柱主要有以“Y221封隔器+桿式泵工作筒+洗井閥”為代表的非丟手管柱和以“單向閥+Y221封隔器+安全短節(jié)+Y455橋塞” 為代表的丟手管柱。非丟手管柱相對丟手管柱的主要優(yōu)點是操作簡單、不存在后期作業(yè)時再打撈丟手管柱的問題。但是常規(guī)Y221封隔器膠筒的脹封必須依靠管柱的壓重（懸重與視重差）來實現(xiàn)。在封隔器與泵之間距離較小和壓重作用下，封隔器以上的油管、泵筒及附件在軸向上的壓縮力會使管柱彎曲變形，地面表現(xiàn)為抽油機負荷超出正常范圍，增加電機工作電流，井下表現(xiàn)為加劇管桿偏磨，造成管桿浪費。

近幾年在彩南油田共計施工此類隔抽管柱103井次，抽油機負荷較大的占70%以上，超出管桿偏磨合理區(qū)間的占90%以上。針對這種情況，研制出一種自鎖式Y221封隔器及其配套管柱，該隔抽管柱結構簡單，且減輕了抽油機工作負荷及管桿偏磨。

1　自鎖式封隔管柱

1.1 自鎖Y221封隔器

1.1.1 結構 自鎖Y221封隔器主要由上接頭、自鎖接頭（帶鎖環(huán)）、自鎖套、推力筒（上部帶條形剪釘孔，內(nèi)部帶臺階）、膠筒管、膠筒、中心管（帶臺階）、錐體、卡瓦、摩擦塊、下接頭、解封一級銅剪釘、解封二級鐵剪釘?shù)冉M成（見圖1）。上接頭、下接頭通過螺紋連接在中心管上，自鎖套通過螺紋連接在膠筒管上，支撐環(huán)、錐體通過螺紋連接在膠筒管上，上接頭、推力筒通過剪釘連接。自鎖接頭套裝在中心管上，膠筒套裝在膠筒管上，卡瓦、摩擦塊套裝在中心管上。全部零部件裝配好后，解封剪釘通過螺紋擰入上接頭內(nèi)，而且解封二級鐵剪釘處在推力筒條形剪釘孔的下端，自鎖接頭處在帶臺階中心管的大徑處。中心管和膠筒管之間有3 mm的間隙，中心管可在膠筒管內(nèi)軸向移動，卡瓦、摩擦塊可在中心管外軸向移動（但局限在中心管的軌道長度內(nèi)），自鎖接頭可在中心管外軸向移動，并可壓入自鎖套內(nèi)實現(xiàn)互鎖。圖中第6~16部分和常規(guī)封隔器一樣，不同點在其自鎖部分，即第1~5和第17、18部分。

圖1　 自鎖式Y221封隔器

1.1.2 工作原理

（1）坐封。當?shù)孛嫘D并下放管柱時，中心管也下行并旋轉90o，摩擦塊在套管的摩擦力作用下靜止不動（此時摩擦塊的換向機構已換入中心管的長軌道），繼續(xù)下放管柱，上接頭帶動中心管繼續(xù)下行，上接頭推動推力筒壓縮膠筒，膠筒推動錐體下行，錐體撐開卡瓦咬合到套管壁。在上接頭推動推力筒的同時，也推動自鎖接頭下行，最后進入自鎖套內(nèi)，鎖環(huán)和自鎖套的內(nèi)扣咬合互鎖，完成坐封。在此過程中，上接頭、自鎖接頭、推力筒、中心管、解封一級剪釘、解封二級剪釘?shù)攘悴考３滞揭苿?，彼此之間沒有位移。坐封后，施加在推力筒、膠筒和卡瓦的力即為坐封壓重（一般為60~80 kN）。

（2）自鎖。完成坐封后，因為有自鎖接頭的臺階壓住推力筒的臺階，自鎖接頭又被鎖在自鎖套內(nèi)，推力筒就一直保持壓縮膠筒狀態(tài)，即使將管柱懸重提起，封隔器以上的油管呈自重拉伸狀態(tài)（中和點在封隔器上接頭處），推力筒、膠筒和卡瓦之間的互相作用力依然為60~80 kN，封隔器膠筒依然保持脹封狀態(tài)。

（3）解封。地面上提管柱，管柱帶動封隔器上接頭及中心管上行（在此過程中，將解封一級銅剪釘剪斷），當上接頭及中心管上行30 mm后，自鎖接頭的自鎖爪移動到中心管的小徑處，自鎖爪對鎖環(huán)的徑向推力減弱。此時，解封剪釘也移動到推力筒條形剪釘孔的上端，開始對推力筒有拉力，推力筒又通過內(nèi)部臺階掛到自鎖接頭臺階，將自鎖接頭從自鎖套內(nèi)拉出，鎖環(huán)留在自鎖套內(nèi)，膠筒靠自身彈性回縮完成解封（見圖2）。

圖2　 自鎖式Y221封隔器坐封前后結構對比

1.1.3 技術參數(shù)

（1）基礎參數(shù)。外徑/長度：115/1 300 mm；內(nèi)臺階推力筒內(nèi)徑/長度：102/80 mm和100/215 mm；鎖套內(nèi)徑/長度：97/115 mm；鎖環(huán)內(nèi)徑/長度：88.9/15 mm；外臺階中心管外徑/長度：65/91、60/125和65/330 mm；膠筒管外徑/長度：73/300mm；坐封壓力：60~80 kN，解封力：54 kN；一級銅剪釘直徑：7.5 mm，二級鐵剪釘直徑：9.6 mm。

（2）坐封負荷校驗。自鎖Y221封隔器的膠筒設計為60~80 kN的壓重可達到最佳坐封狀態(tài)，通過對錐體、卡瓦的機械設計可保證在此壓重下卡瓦有足夠的錨定力，即封隔器不在套管壁打滑。計算證明如下。

設錐體的傾斜角度為α，坐封壓重為G， G對卡瓦斜面的法向分力為F1，卡瓦牙對套管壁的正壓力為N1，套管壁對卡瓦牙的向上摩擦力為T，卡瓦牙和套管壁的靜摩擦因數(shù)為μ，則

F1= G·cosα （1）

N1= F1·sinα= G·sinα·cosα （2）

N2= F1·cosα= G·cos2α （3）

T = N1·μ =G·sinα·cosα·μ （4）

比較式（3）和式（4），只要α＞45o， N1＞N2，再提高μ的值，完全可做到T＞N2。實際設計α為75o，μ為0.6，通過計算可得出 T＞N2，即套管壁對卡瓦牙的摩擦力大于管柱對卡瓦的下壓力，見圖3。

圖3　 坐封負荷校驗

（3）解封負荷計算。自鎖Y221封隔器的解封負荷為剪斷一級黃銅剪釘?shù)牧?，黃銅剪釘?shù)牟牧蠟镠62，直徑為7.5 mm，剪切面積A為45 mm2， 黃銅剪釘?shù)目辜羟袘Ζ訛?00 MPa，則剪斷一只剪釘?shù)睦分為

F分= τA=13.5 kN （5）

共有4只剪釘，則解封負荷為54 kN。

1.1.4 技術特點

（1）施工簡便，坐封可靠，解封徹底，作業(yè)成本低。

（2）在常規(guī)封隔器的基礎上，增加了自鎖機構，封隔器坐封后，當釋放掉封隔器上的壓重時，封隔器依然能夠保持坐封狀態(tài)，封隔器上部管柱處于自由狀態(tài)，從而減少了抽油桿的上下行摩阻（見圖4）。

（3）解封一級剪釘、解封二級剪釘?shù)脑O置使得解封更為保險，常規(guī)情況下，剪斷一級銅剪釘即可解封，若還解不了封，依靠二級鐵剪釘提拉自鎖接頭即可解封。

圖4　 常規(guī)封隔器和自鎖封隔器坐封后管柱狀態(tài)對比圖

（4）雖然可多次坐封，但自鎖方面有其局限性，即只能第1次坐封后可以自鎖，再次坐封后不能自鎖。

1.2 自鎖封隔器坐封工具

要保證給封隔器以正常壓重后再卸載掉原壓重（即上提原壓距），還要保證油管掛能在上提原壓距后剛好坐入套管四通，則井下第1根油管的接箍只能在套管四通平面以下。因為如果不在套管四通平面以下，則接好油管掛及其雙公短接后，再將油管掛坐入套管四通后，對封隔器又給予了一定的壓重（油管掛及其雙公短接有一定長度）。但是不能用油管短接來實現(xiàn)這種情形，為此設計了相應的封隔器坐封工具以實現(xiàn)封隔器壓重卸載。

該工具由接頭、送進桿、卡瓦、錐體組成。卡瓦在打撈位置時可懸掛油管入井，卡瓦在釋放位置可取出坐封工具，見圖5，a圖為工具全貌，b圖為可懸掛油管入井狀態(tài)，c圖為可取出坐封工具狀態(tài)。

圖5　 封隔器坐封工具

該工具可滿足以下要求：（1）本體部分能順利通過內(nèi)徑為62 mm的油管內(nèi)腔；（2）可安全地懸掛油管入井；（3）懸掛過程中能夠完成正常的上扣、卸扣操作；（4）可退性能良好；（5）具有一定的強度。

2　現(xiàn)場應用

2.1 坐封壓距的計算

為了確保自鎖式封隔器一次坐封成功，能夠自鎖，坐封壓距的準確計算就很重要，以?73 mm油管為例，坐封壓距由公式（6）計算。此公式得到了多口井的檢驗，可準確計算出不同坐封深度的坐封壓距。

ΔL=pL/2450+A+B （6）

式中，ΔL為壓距，cm；p為壓重，kN；L為油管深度，m；A為膠筒壓距，cm；B為封隔器軌道自由行程，cm。

2.2 自封式封隔管柱坐封方法

（1）油管送進。坐封工具伸入油管內(nèi)腔（油管掛套在送進桿上，以備回接油管與管掛用），上提抓牢下部油管并上提到設計高度。旋轉下放送進桿，使油管整體及部分送進桿本體進入井筒，完成封隔器坐封。

（2）油管回接至油管掛。上提送進桿一定距離，使油管節(jié)箍距離四通平面以下，背鉗打在送進桿上，連接油管掛與下部油管。再次下放送進桿使油管掛坐入四通，完成油管懸掛，見圖6。

圖6　 油管送進回接示意圖

（3）退出送進桿。下?lián)?、正轉送進桿，使卡瓦處于釋放狀態(tài)，退出井口。

（4）操作要領。完井可給封隔器以5~15 kN的較小壓重（以防止在抽油過程中抽油桿柱上行使封隔器蠕動，但此壓重對油管彎曲不明顯），可先計算出與此較小壓重（5~15 kN）相對應的完井壓距，再求出開始坐封時第1根油管接箍相對四通平面的深度H。

H = 管掛長度-完井壓距 （7）

從操作方面來講， H最為直觀、簡便、可靠。

2.3 應用效果

自鎖式Y221-115封隔器在彩南油田已投入應用3井次，施工成功率100%，施工后的主要抽油參數(shù)見表1。

從表1中可以看出，抽油機負荷較前次隔抽管柱下降10~20 kN，都在正常負荷范圍。從之后的提泵作業(yè)來看，管桿偏磨現(xiàn)象也有明顯的減輕。

表1　自鎖隔抽管柱施工前后參數(shù)對比

圖7 黃原膠質(zhì)量分數(shù)對BV值及體系黏度的影響

3　結論

（1）自鎖式隔抽管柱和常規(guī)非丟手隔抽管柱相比，既降低了抽油機的工作負荷，又減輕了隔抽管柱管桿的偏磨程度，還實現(xiàn)了油田電力的節(jié)能降耗，延長了檢泵周期，降低了管桿報廢率，對存在較多井斜變化率較大井的油田，這項技術更具有實際意義，長期累積的經(jīng)濟效益非?？捎^。

（2）自鎖式封隔器的自鎖機構設計合理、自鎖可靠，管柱卸載壓重后對封隔器的密封效果沒有影響，還能有效封隔油套環(huán)空；坐封工具解決了用常規(guī)井口工具不能做到的既要下放管柱壓重、又要上提管柱卸載壓重這一矛盾問題。

（3）由于自鎖式隔抽管柱存在只能第1次坐封后可以自鎖的不足之處，這就要求第1次坐封的前期準備工作一定要做好，例如坐封位置的確定、壓距的計算、坐封工具的連接等，否則，返工坐封是不能實現(xiàn)自鎖功能的。

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（修改稿收到日期 2015-08-08）

〔編輯 景 暖〕

Design and application of self-locking packer string

LIU Chenggui1, SHANG Yuxing2, WANG Hailong1, TURSUNJAN·Turdi1, DONG Qiaoyun3
（1. Downhole Service Company of Zhundong Oil Production Plant, Xinjiang Oilfield Company, Fukang 831511, China;
2. Luliang Field Operation District, Xinjiang Oilfield Company, Karamay 840000, China;
3. Xinyuan Petrochemical Machinery Co. Ltd., Yancheng 224400, China）

Abstract:Y221 packer is extensively used in packer string, but when conventional Y221 packer is set, the tubing and pump cylinder above the packer shall bend and deform axially under the action of weight, which exacerbates eccentric wear on tubing and rod and increases the load on pumping unit. In view of this problem, a self-locking Y221 packer has been developed. This paper sets forth the working principle of this packer and verifies the anchoring force of the packer slips in line with the proper weight of packer rubber tube and calculates the unlocking load. In addition, a setting tool for this self-locking Y221 packer has been designed, which ensures that the packer is not unlocked while the tubing hanger can successfully sit in the wellhead when the weight is removed, so the string is tied back in hole. A self-locking mechanism and duel-stage unlocking mechanism are added inside the packer, so after the packer is set and the weight is released, the packer can still stay set while the string above the packer is in a free state, hence reducing the up and down friction of the sucker rod and the load on pumping unit. However, this string has some limitation in its self-locking performance, that is, the packer can be set many times, but it can realize self-locking after it is first set and cannot self-lock after being set twice.

Key words:self-locking Y221 packer; packer pipe string; eccentric wear on tubing and rod; release of weight; saving energy and reducing consumption

作者簡介：劉成貴，1973年生。1995年畢業(yè)于新疆石油學院鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)從事油水井修井工藝研究工作。電話：13619968369。E-mail：13619968369@qq.com。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.027

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0109 – 04

文獻標識碼：B

中圖分類號：TE358