海上水平井礫石充填頂部封隔器研制與應(yīng)用*

董社霞 李 強(qiáng) 路振興 徐鳳祥 謝 濤

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459； 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

海上水平井礫石充填頂部封隔器研制與應(yīng)用*

董社霞1李 強(qiáng)1路振興1徐鳳祥1謝 濤2

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300459； 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

頂部封隔器是水平井礫石充填管柱中最重要的組件之一。研制了一種新型頂部封隔器，該封隔器通徑大(φ152.4 mm)，采用C型單面齒鎖環(huán)機(jī)構(gòu)和雙向卡瓦錨定來保證密封可靠性及降低管柱上下串動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)新型頂部封隔器的卡瓦、鎖環(huán)、上短節(jié)、芯軸、膠筒組等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了力學(xué)分析，均能滿足要求。高溫(165 ℃)高壓室內(nèi)坐封試驗(yàn)和上、下壓試驗(yàn)表明，當(dāng)加壓至坐封壓力19 MPa時(shí)，保壓15 min，坐封正常完成；繼續(xù)加壓至46 MPa時(shí)，上、下壓試驗(yàn)均能保壓30 min；下入回取工具，將封隔器取出套管，膠筒及卡瓦均未損壞。利用新型頂部封隔器在陸上和海上3口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，均圓滿完成作業(yè)。新型頂部封隔器目前已成功應(yīng)用100井次以上，可廣泛應(yīng)用于海上水平井礫石充填、簡易防砂及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

水平井；礫石充填；新型頂部封隔器；單面齒鎖環(huán)；雙向卡瓦；力學(xué)分析；高溫高壓試驗(yàn)；現(xiàn)場作業(yè)

疏松砂巖油藏在我國分布范圍廣泛，其產(chǎn)量在我國原油總產(chǎn)量中占有十分重要的地位，但該類油藏由于埋藏淺、膠結(jié)疏松，生產(chǎn)過程中極易出砂[1-4]。目前，就渤海油田而言，每年完井300～480口井，其中90%的油井都要進(jìn)行防砂作業(yè)，水平井礫石充填防砂是最常用的完井防砂技術(shù)，具有完善程度高、有效期長的優(yōu)點(diǎn)[5-9]，其核心組件是礫石充填防砂管柱，管柱中最重要的組件之一是頂部封隔器，主要起到下入時(shí)懸掛篩管，充填時(shí)密封管內(nèi)和管外，充填完后可丟手實(shí)現(xiàn)內(nèi)外、管分離[10-14]等作用。目前，海上防砂完井技術(shù)幾乎全部被哈里伯頓和貝克休斯公司所壟斷，且常規(guī)防砂頂部封隔器常出現(xiàn)錨定力小、易解封、通徑小不利于后期修井作業(yè)等問題。本文自主研發(fā)了一種新型大通徑頂部封隔器，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了力學(xué)分析，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場作業(yè)，結(jié)果表明這種新型頂部封隔器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，可廣泛應(yīng)用于海上水平井礫石充填、簡易防砂及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

1 頂部封隔器的研制

水平井礫石充填防砂管柱分為內(nèi)管柱和外管柱，外管柱中最重要的組件之一就是頂部封隔器，其作用是：在充填過程中懸掛井筒管柱的重量；引導(dǎo)流體的流動(dòng)方向，承受上、下壓差；在下入、坐封、丟手時(shí)承擔(dān)拉伸和壓縮載荷，同時(shí)可傳遞較大扭矩。圖1為本次研制的頂部封隔器結(jié)構(gòu)示意圖。

1.導(dǎo)向接頭；2.坐封套；3.上短節(jié)；4.波形彈簧座；5.膠筒上座；6.芯軸；7.膠筒引鞋；8.外膠筒；9.內(nèi)膠筒；10.上錐體；11.膠筒下座；12.卡瓦外筒；13.卡瓦；14.下錐體；15.導(dǎo)向螺釘；16.止動(dòng)套；17.解封開口環(huán)；18.外筒；19.開關(guān)套；20.下短節(jié)；21.O型圈；22.開關(guān)套螺釘；23.上錐體定位螺釘；24.彈性開口環(huán)；25.鎖緊環(huán)；26.運(yùn)輸銷釘；27.丟手銷釘；28.導(dǎo)向接頭螺釘

圖1 新型頂部封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig .1 Schemetic of the new top packer structure

1.1 工作原理

新型頂部封隔器的工作原理如下：

1) 坐封。工具下井前取出運(yùn)輸銷釘，到達(dá)預(yù)定位置后通過坐封工具打壓推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，依次推動(dòng)坐封套、膠筒上座、上錐體向下運(yùn)動(dòng)，卡瓦被推出并牢牢地卡在套管內(nèi)壁上。

2) 密封。膠筒受到壓縮封隔環(huán)形空間，膠筒上座的內(nèi)齒與鎖環(huán)的外齒嚙合鎖定各零部件，保證封隔過程。

3) 丟手。上提服務(wù)工具管柱，丟手銷釘被剪斷，服務(wù)工具與封隔器脫離，進(jìn)行后續(xù)充填操作。

4) 解封。下入專用工具，帶動(dòng)開關(guān)套向上運(yùn)動(dòng)，解封螺釘被剪斷，解封開口環(huán)被釋放，下錐體失去支撐，卡瓦、膠筒收回，再上提解封工具將封隔器提出井筒。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

新型頂部封隔器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 新型頂部封隔器的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 New top packer major parameters

1.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

新型頂部封隔器具有以下設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：

1) 采用C型單面齒鎖環(huán)機(jī)構(gòu)，降低了鎖緊機(jī)構(gòu)易脫扣的風(fēng)險(xiǎn)，保證了封隔器密封可靠性。

2) 采用大通徑(φ152.4 mm)，為后續(xù)注采作業(yè)提供大通道，同時(shí)也保證了后續(xù)施修井作業(yè)。

3) 采用雙向卡瓦錨定在套管壁上，錨定力大，降低了管柱上下串動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 關(guān)鍵零部件力學(xué)分析

對(duì)新研制的頂部封隔器的錨定機(jī)構(gòu)、卡瓦、鎖環(huán)、上短節(jié)、芯軸、膠筒組等關(guān)鍵零部件進(jìn)行力學(xué)分析，從受力角度分析封隔器是否滿足要求。

2.1 錨定(卡瓦)機(jī)構(gòu)

卡瓦牙是整套卡瓦的關(guān)鍵部分，卡瓦牙齒強(qiáng)度性能的好壞決定卡瓦的懸掛力，直接影響封隔器的工作壽命?？ㄍ吡W(xué)分析如圖2所示，其中F1、F2為承受下壓時(shí)對(duì)膠筒及芯軸的作用力，F(xiàn)3、F4為承受上壓時(shí)上壓對(duì)膠筒及芯軸的作用力。

圖2 新型頂部封隔器卡瓦受力示意圖Fig .2 Schemetic of stress of the new top packer

當(dāng)封隔器承受下壓時(shí)，卡瓦受力F瓦下為

(1)

式(1)中：G外為外管柱重量，kN；p下為膠筒承受的下壓力，MPa ；A膠筒為膠筒的截面面積，mm2；A芯軸為芯軸的截面面積，mm2。

當(dāng)封隔器承受上壓時(shí)，卡瓦受力F瓦上為

(2)

承受相同壓差情況下，由式(1)、(2)可知，承受上壓力減去承受下壓力等于2倍管柱重量,即

(3)

從式(1)、(2)可知，封隔器承受上壓時(shí)，卡瓦受力更大，故對(duì)封隔器承受上壓時(shí)進(jìn)行卡瓦仿真分析。假設(shè)膠筒上部承受壓力46 MPa(表1)，下部壓力為零，根據(jù)式(2)計(jì)算F瓦上為1 758 kN(即上錐體受力)，則上錐體施加給每個(gè)卡瓦的載荷T=F瓦上/4=439.5 kN。相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見表2，應(yīng)用ABQUS仿真軟件進(jìn)行力學(xué)分析，得到圖3所示的錨定機(jī)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖。從圖3可以看出，卡瓦受力呈現(xiàn)兩端對(duì)稱分布，卡瓦整體出現(xiàn)略微彎曲，長度由116.0 mm減至115.5 mm，導(dǎo)致卡瓦中間2顆牙齒出現(xiàn)脫齒現(xiàn)象，未與套管接觸；兩端6顆牙齒應(yīng)力最大，應(yīng)力最高可達(dá)1 110 MPa，大于材料的屈服極限930 MPa，故需對(duì)牙齒進(jìn)行滲碳淬火處理，保證牙尖不失效；其余各部分未超過材料屈服極限。就套管而言，套管的最大應(yīng)力為620.7 MPa,大于材料屈服極限600 MPa，此時(shí)卡瓦嵌入套管，套管表面輕微破損，實(shí)現(xiàn)懸掛。

表2 新型頂部封隔器錨定機(jī)構(gòu)力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of the new top packer anchoring structure

圖3 新型頂部封隔器錨定機(jī)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力云圖Fig .3 Von Mises of the new top packers anchoring structure

2.2 鎖環(huán)

根據(jù)錨定機(jī)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果，當(dāng)壓差為46 MPa時(shí)，承載力為1 758 kN，所有力將作用在鎖環(huán)上。鎖環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。按剪切驗(yàn)算切應(yīng)力，鎖環(huán)材料為42CrMo(屈服極限σs=650 MPa)，許用剪切強(qiáng)度為τs=0.7σs=455 MPa，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)公式τ=F/(3.14d1bZ)計(jì)算(其中d1為螺紋小徑，取值為172.26 mm；b為牙根寬度，取值為2 mm；Z為有效螺紋圈數(shù)，取值為6)，得承載力F為2 954 kN>1 758 kN，即鎖環(huán)的承載能力滿足要求。

圖4 新型頂部封隔器鎖環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸Fig .4 Lock ring structure size of the new top packer

2.3 上短節(jié)

根據(jù)現(xiàn)場使用條件，新型頂部封隔器在下入過程中如果遇阻，須旋轉(zhuǎn)管柱，上短節(jié)的牙崁的每個(gè)受力面承受額定扭矩的1/12，再除以作用半徑，得到每個(gè)面施加的載荷。應(yīng)用ABQUS仿真軟件進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，上短節(jié)最大Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在牙崁的根部，應(yīng)力值為769 MPa，小于屈服應(yīng)力930 MPa，牙崁主體部分應(yīng)力為250 MPa左右，其他部位更低，因此安全。

圖5 新型頂部封隔器上短節(jié)Von Mises應(yīng)力云圖Fig .5 Von Mises on the nipple of the new top packer

2.4 芯軸

因中心管為大通徑，故需對(duì)芯軸進(jìn)行受力分析。在傳遞扭矩的過程中，芯軸承受自重(200 kN)和額定扭矩(12 200 N·m)的聯(lián)合作用，屬復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)用ABQUS仿真軟件進(jìn)行力學(xué)分析，應(yīng)力云圖見圖6。從圖6可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)槽處，應(yīng)力值為131.5 MPa，小于屈服應(yīng)力930 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 新型頂部封隔器芯軸的Von Mises應(yīng)力云圖Fig .6 Von Mises on the spindle of the new top packer

2.5 膠筒組

封隔器坐封時(shí)，膠筒組徑向壓縮以填滿中心管與套管間的環(huán)形空間，以此封隔環(huán)形空間，為后期礫石充填井下工藝的順利實(shí)施提供有效的密封手段。在上防凸環(huán)上向下加載不同坐封力，研究不同坐封力下三膠筒與套管間接觸壓力分布情況，如圖7所示。

圖7 不同坐封力時(shí)新型頂部封隔器三膠筒組與套管 接觸壓力分布曲線Fig .7 Contact pressure between sealing rubbers and casing pipe of the new top packer under different rubber setting force

從圖7可以看出，隨著坐封力的不斷增加，膠筒組的接觸壓力值出現(xiàn)增大且增幅明顯、密封接觸區(qū)也逐漸增大，坐封壓力為19 MPa時(shí)最大接觸壓力表現(xiàn)出第一膠筒>第三膠筒>第二膠筒，可有效保證封隔器密封性能。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為有效驗(yàn)證新型頂部封隔器設(shè)計(jì)的合理性及可靠性，對(duì)頂部封隔器的性能進(jìn)行高溫(165 ℃)高壓室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 坐封試驗(yàn)

如圖8所示，當(dāng)泵打壓至19 MPa，即坐封壓力時(shí)，新型頂部封隔器保壓了15 min，說明坐封可以正常完成。試驗(yàn)結(jié)果表明，封隔器在設(shè)計(jì)坐封壓力下，坐封效果良好，可完全滿足對(duì)各處功能的支持。

圖8 新型頂部封隔器坐封試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig .8 Curve of setting test of the new top packer

3.2 上、下壓試驗(yàn)

如圖9、10所示，打壓至46 MPa時(shí)，新型封隔器上、下壓試驗(yàn)均能保壓30 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，封隔器坐封后，上、下壓滿足46 MPa，密封效果優(yōu)異。

下入回取工具，將封隔器取出套管。膠筒及卡瓦均未損壞，錨定及密封效果良好。

圖9 新型頂部封隔器上壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig .9 Curve of upper-pressure test of the new top packer

圖10 新型頂部封隔器下壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig .10 Curve of down-pressure test of the new top packer

4 現(xiàn)場作業(yè)

2016年3月，在中原油田某井下入本文研制的新型頂部封隔器進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，封隔器在設(shè)定深度(1 000 m)成功坐封并驗(yàn)封； 2016年6月，在蓬萊19-3油田25-6-5勘探井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，井深1 700 m，要求射孔、防砂(簡易防砂)后進(jìn)行DST測試，圓滿完成作業(yè)；2016年7月，在曹妃甸11-1油田A54H1、A50H1、A52H2和A49H3井進(jìn)行充填防砂作業(yè)，圓滿完成裸眼礫石充填防砂作業(yè)，如圖11所示。目前新型頂部封隔器已在現(xiàn)場成功應(yīng)用100井次以上。

圖11 曹妃甸11-1油田A52H2井充填防砂作業(yè)曲線Fig .11 Gravel pack curves of Well A52H2 in CFD11-1 oilfield

5 結(jié)論

1) 研制了一種新型水平井礫石充填頂部封隔器，該封隔器通徑較大(φ152.4 mm)，采用C型單面齒鎖環(huán)機(jī)構(gòu)降低了鎖緊機(jī)構(gòu)易脫扣的風(fēng)險(xiǎn)，采用雙向卡瓦錨定在套管壁上降低了管柱上下串動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)新型頂部封隔器的卡瓦、鎖環(huán)、上短節(jié)、芯軸、膠筒組等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了力學(xué)分析，結(jié)果表明均能滿足要求。

2) 陸地試驗(yàn)及海上現(xiàn)場作業(yè)結(jié)果表明， 新型頂部封隔器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，可廣泛應(yīng)用于海上水平井礫石充填、簡易防砂及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。目前新型頂部封隔器已在現(xiàn)場成功應(yīng)用100井次以上。

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(編輯：楊 濱)

Development and application of top packers for gravel-pack jobs in offshore horizontal wells

DONG Shexia1LI Qiang1LU Zhenxing1XU Fengxiang1XIE Tao2

(1.COSL,Tianjin300459，China; 2.TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452，China)

The top packer is one of the most important components of the gravel-pack work string. A new type top packer was developed which is characterized by large size (φ152.4 mm). Moreover, this top packer uses the C type single lock-ring mechanism and bidirectional slip anchor to ensure the sealing reliability and reduce the risk of the tubing string to move up and down. Mechanical analyses were conducted for the slip, lock-ring, sub, mandrel, and rubber group of the top packer, and it was found out that all of them meet the requirements. Under the high temperature (165 ℃) and high pressure, lab setting tests, as well as upward and downward pressurization tests showed that when pressure was raised to 19 MPa (the setting pressure) and maintained for 15 min, the setting could be properly realized; when the pressure was further raised to 46 MPa, the upward and downward pressure can be held for 30 min. A fishing tool was run in to pull the top packer out of hole, showing no rubbers or slips were damaged. The top packer has been pilot tested in 3 wells, both onshore and offshore, and then successfully applied in more than 100 gravel-pack jobs. The good application results suggest that the top packer can be widely used for horizontal well gravel-pack, simple sand control and relevant operations offshore.

horizontal well; gravel pack; new top packer; single lock-ring; bidirectional slip; mechanical analysis; high temperature and high pressure test; field operation

*中海油田服務(wù)股份有限公司科研攻克項(xiàng)目“海上水平井礫石充填防砂工具研制(編號(hào)：E-23147007)”部分研究成果。

董社霞，女，高級(jí)工程師，1993年畢業(yè)于中國石油大學(xué)機(jī)械系，主要從事完井工具工藝設(shè)計(jì)研發(fā)工作。地址：天津市濱海新區(qū)塘沽區(qū)華山道450號(hào)(郵編：300459)。E-mail：dongshx4@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0085-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.014

TE358.1

A

2016-10-19 改回日期：2017-03-23

董社霞,李強(qiáng),路振興，等.海上水平井礫石充填頂部封隔器研制與應(yīng)用[J].中國海上油氣，2017,29(3)：85-90.

DONG Shexia,LI Qiang,LU Zhenxing,et al.Development and application of top packers for gravel-pack jobs in offshore horizontal wells[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):85-90.