適用于高壓氣井的管柱內(nèi)封堵工具設(shè)計(jì)

□ 何莎莎 □ 陳曉軍 □ 米凱夫 □ 李 萌 □ 王洋紳 □ 王興燕

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院北京石油機(jī)械有限公司 北京 102206

1 設(shè)計(jì)背景

隨著帶壓作業(yè)增多，特別是氣井的帶壓作業(yè)需求增多，作業(yè)的配套裝備需求也逐漸增多。帶壓作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)是井下壓力控制，帶壓作業(yè)裝備井口防噴裝置可以實(shí)現(xiàn)油氣管、套管之間環(huán)形空間的壓力控制，因此油氣管內(nèi)腔的壓力控制成為帶壓作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)中的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)帶壓作業(yè)裝備生產(chǎn)企業(yè)主要針對油水井帶壓作業(yè)［1-5］，裝備性能還無法完全滿足氣井帶壓作業(yè)的需求，在管柱內(nèi)封堵工具方面幾乎完全依賴進(jìn)口。為了打破對國外技術(shù)的依賴，筆者設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定可靠、能承受70 MPa高壓的管柱內(nèi)封堵工具。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管柱內(nèi)封堵工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由工作筒、堵塞器本體和P型桿組件三部分組成。工作筒上下為標(biāo)準(zhǔn)油管螺紋，內(nèi)有與卡瓦配合的鍵槽。堵塞器本體由閥帽、密封圈、襯管、卡瓦套、卡瓦、片簧、滑套和上接頭組成。堵塞器本體的閥帽有四個(gè)泄壓孔，下放時(shí)能保持上下壓力平衡，保證卡瓦在預(yù)定位置張開錨定在工作筒內(nèi)，堵塞器本體實(shí)物如圖2所示。P型桿組件由壓帽、密封圈和P型桿組成，P型桿組件實(shí)物如圖3所示。

密封性能主要取決于工具的密封結(jié)構(gòu)。常規(guī)的內(nèi)封堵工具只能達(dá)到35 MPa的密封能力，抗壓能力弱，對氣井的效果有限，易在作業(yè)過程中發(fā)生泄漏［6］。筆者針對內(nèi)封堵工具的密封性要求，研制了多級組合密封圈，采用60°和90°V形密封圈配合使用?？紤]到井內(nèi)上下都有壓力，設(shè)計(jì)為三個(gè)一組或四個(gè)一組的對稱分布，V形密封圈的兩端和中間采用硬度較高的塑料制品進(jìn)行支撐分隔，同時(shí)可以增強(qiáng)密封圈的抗壓能力。

3 工作原理

▲圖1 管柱內(nèi)封堵工具結(jié)構(gòu)

應(yīng)用管柱內(nèi)封堵工具時(shí)，預(yù)先將工作筒連接在油管上，下放到井內(nèi)的預(yù)定位置。將堵塞器本體與下入工具連接，然后再連接工具串一起下井［7］。堵塞器本體的卡瓦有三種狀態(tài)，如圖4所示。在下井過程中，卡瓦及其下入工具處于選擇狀態(tài)。當(dāng)工具串下放并穿過要投放的工作筒后，上提工具串到工作筒上部，在此過程中，下入工具及卡瓦由選擇狀態(tài)變?yōu)榉沁x擇狀態(tài)，卡瓦彈出，此時(shí)繼續(xù)下放工具串，卡瓦可坐封在工作筒內(nèi)。當(dāng)上接頭和滑套下放到底時(shí)，取出下入工具，卡瓦處于鎖定狀態(tài)。再用下入工具將P型桿組件下放至堵塞器內(nèi)，P型桿組件的密封圈封堵堵塞器本體閥帽上的四個(gè)泄壓孔，以隔絕井下壓力。作業(yè)完成，打撈內(nèi)封堵工具時(shí)，下放配套打撈工具，打撈爪卡住P型桿上端打撈頸部位，上提取出P型桿組件。更換打撈頭再次下放打撈工具，打撈頭與上接頭的打撈處卡緊，震擊上接頭，震松卡瓦，上提上接頭，卡瓦從鎖定位置被彈出，直至完全縮入，繼續(xù)上提使堵塞器本體與工作筒脫離。

▲圖2 堵塞器本體實(shí)物

▲圖3 P型桿組件實(shí)物

4 主要技術(shù)參數(shù)

管柱內(nèi)封堵工具的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 管柱內(nèi)封堵工具技術(shù)參數(shù)

與常規(guī)內(nèi)封堵工具相比，管柱內(nèi)封堵工具結(jié)構(gòu)和作業(yè)方式一致，借助常規(guī)鋼絲作業(yè)的工具就能實(shí)現(xiàn)下放和打撈?；诟邏簹饩膸鹤鳂I(yè)，管柱內(nèi)封堵工具中密封圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其材質(zhì)的選擇具有決定意義，是實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)的關(guān)鍵。此外，帶壓作業(yè)時(shí)常伴有高溫、腐蝕介質(zhì)等惡劣情況。

5 關(guān)鍵零部件分析

卡瓦主要用于定位、防止堵塞器脫落和承載。卡瓦在片簧和滑套的配合作用力下，可以實(shí)現(xiàn)徑向收縮和彈出［8-10］。筆者設(shè)計(jì)的管柱內(nèi)封堵工具下放時(shí)，卡瓦處于收縮狀態(tài)。當(dāng)卡瓦與工作筒內(nèi)鍵槽完成配合，并向下震擊推動(dòng)滑套時(shí)，片簧驅(qū)動(dòng)卡瓦徑向擴(kuò)張，同時(shí)滑套外齒進(jìn)入卡瓦內(nèi)齒下部與其緊密配合，防止卡瓦松動(dòng)。卡瓦外錐面與工作筒內(nèi)鍵槽限位處卡住，實(shí)現(xiàn)鎖定。應(yīng)用ANSYS軟件對卡瓦和相關(guān)接觸零件進(jìn)行70 MPa應(yīng)力下的有限元分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

通過有限元分析可知，在最高工作壓力70 MPa下，卡瓦、工作筒、襯管和滑套選擇屈服強(qiáng)度高于分析結(jié)果的材料，就是安全可靠的。

6 氣密封試驗(yàn)

為了測試工具的性能，將堵塞器本體坐封在工作筒內(nèi)部，推動(dòng)滑套，成功使卡瓦彈出，并與工作筒內(nèi)的鍵槽配合。將P型桿插入堵塞器本體內(nèi)部，將裝好的工作筒兩端裝上試驗(yàn)接頭，一端與氣密封檢測系統(tǒng)相連，另一端連接壓力表，觀察試驗(yàn)時(shí)是否有壓力泄漏，如圖7、圖8所示。

▲圖4 卡瓦狀態(tài)

▲圖5 卡瓦相關(guān)接觸零件應(yīng)力分布

▲圖6 卡瓦接觸應(yīng)力分布

經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，管柱內(nèi)封堵工具能在最大密封壓力70MPa下可靠密封，未見泄漏和降壓現(xiàn)象。

試驗(yàn)后，將P型桿拔出，外拉上接頭將滑套拉出，卡瓦在片簧作用下順利回彈，繼續(xù)外拉，成功將堵塞器本體拉出工作筒。

7 結(jié)論

使用通用鋼絲工具即可將所設(shè)計(jì)的管柱內(nèi)封堵工具下放到位，能輕松實(shí)現(xiàn)堵塞器的開啟與關(guān)閉，操作簡單。

管柱內(nèi)封堵工具依靠滑套的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)片簧，實(shí)現(xiàn)卡瓦的三種狀態(tài)，動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠。

管柱內(nèi)封堵工具中的密封結(jié)構(gòu)所優(yōu)選的密封圈，能實(shí)現(xiàn)70 MPa壓力下的密封性，可長時(shí)間封堵不泄漏。

▲圖7 氣密封試驗(yàn)原理

▲圖8 氣密封試驗(yàn)現(xiàn)場

當(dāng)然，仍需要進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證管柱內(nèi)封堵工具的實(shí)際工作效果。