帶壓作業(yè)可通過式堵塞器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

唐 庚， 雷清龍， 洪玉奎， 李 斌， 董亮亮， 張 文， 賴 寧， 王梓齊

(1中石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2西南石油大學(xué) 3四川圣諾油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司 4中石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

傳統(tǒng)氣井起下作業(yè)時(shí)，需利用一定密度的液體平衡地層高壓流體，達(dá)到防止井涌、井噴的目的[1]。但壓井作業(yè)不僅修井周期長，還會造成地層損害，污染產(chǎn)層[2]。為保證油氣資源可持續(xù)發(fā)展、降低生產(chǎn)成本、提高油氣生產(chǎn)效率的戰(zhàn)略發(fā)展要求，帶壓作業(yè)由此產(chǎn)生并取得飛速發(fā)展。特別是在我國的西南油氣田、長慶油田、中石化涪陵頁巖氣等油氣田均得到了廣泛推廣和應(yīng)用[3-4]。

井下壓力控制作為帶壓作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，包括油套環(huán)空壓力控制和起下管柱作業(yè)壓力控制兩部分[5-6]。目前，我國帶壓作業(yè)裝備在油水中應(yīng)用成熟，但在氣井領(lǐng)域中還亟需發(fā)展[7-10]。

氣井不壓井起管柱作業(yè)時(shí)，一般通過繩索作業(yè)投放堵塞器以控制油管內(nèi)壓力[11-13]。但針對一些大斜度井、水平井，繩索作業(yè)投放堵塞器時(shí)不能一次性投入目標(biāo)位置。若采用上大下小逐級封堵，后下入的堵塞器座放短節(jié)外徑將不斷減小，嚴(yán)重影響氣井的后續(xù)開發(fā)。

因此，為解決以上問題，本文提出了一種可通過式堵塞器，以應(yīng)對油管多次投放堵塞器的需求。同時(shí)，對該工具材料進(jìn)行選擇，以滿足堵塞工具強(qiáng)度要求。為驗(yàn)證工具可行性，對可通過式堵塞器的可通過性、可坐封性以及密封性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

一、可通過式堵塞器設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)參數(shù)

針對斜井或水平井不壓井作業(yè)，鋼絲下堵塞器過程中受井斜影響，不能直接下入底部。因此帶壓起管柱作業(yè)的整個(gè)過程至少需要下入兩次及以上堵塞器，而第二次下堵塞器時(shí)必須通過第一個(gè)堵塞器內(nèi)筒。目前，四川盆地不壓井作業(yè)使用的油管大部分均為?73 mm油管，因此，研制了?73 mm可通過式堵塞器,堵塞器設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 可通過式堵塞器設(shè)計(jì)參數(shù)

2. 可通過式堵塞器結(jié)構(gòu)

根據(jù)固定式堵塞器的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了可通過式堵塞器結(jié)構(gòu)，如圖1。該堵塞器的的作業(yè)過程為：當(dāng)下入的可通過式堵塞器到達(dá)目標(biāo)座放短節(jié)時(shí)，上提堵塞器使在卡瓦上預(yù)設(shè)的溝槽與座放短節(jié)上的臺階配合，觸動卡瓦使其處于半張開狀態(tài)。然后再次下放堵塞器，半開狀態(tài)的卡瓦會與座放短節(jié)配合，完成堵塞。若堵塞器未下入到目標(biāo)座放短節(jié)，則不需要提上作業(yè)，直到到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)方才上提堵塞器，完成井筒堵塞作業(yè)。

圖1 可通過式堵塞器結(jié)構(gòu)示意圖

3. 材料選擇

3.1 堵塞器材質(zhì)選擇

帶壓作業(yè)堵塞器通常需要承受較大的壓力，同時(shí)氣井中含硫化氫等腐蝕介質(zhì),因此，為滿足堵塞器強(qiáng)度要求，堵塞器本體采用高強(qiáng)度鋼，同時(shí)還應(yīng)具備抗腐蝕能力。

3.2 密封件選擇

帶壓作業(yè)最重要的部分就是井筒內(nèi)的壓力控制。堵塞器一旦發(fā)生密封失效，井底壓力上竄，造成井漏或井噴事故，嚴(yán)重威脅井筒安全。因此，堵塞器應(yīng)選用至少能承受70 MPa壓力的密封組件，以保證帶壓作業(yè)起下管柱的安全。經(jīng)過篩選，選用“V”型高硬度丁晴橡膠與聚四氟乙烯組合密封件。

二、強(qiáng)度校核

當(dāng)堵塞器成功下入井底并完成坐封后，堵塞器兩端將形成明顯壓差，該壓差完全作用堵塞器。因此需對堵塞器進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證堵塞器坐封性能。

堵塞器在井下壓力所產(chǎn)生的作用力通過卡瓦牙形成兩向分力：矢量向上對油管的上頂力；橫向?qū)Χ氯骺ㄍ哐辣倔w的擠壓力。

1. 坐封后上頂力及擠壓力計(jì)算

1.1 實(shí)際上頂力F1計(jì)算

(1)

式中：s—堵塞器密封端面面積，m2;

α—堵塞器工具所產(chǎn)生的分力角度，15°；

Δp—坐封壓差，30 MPa；

d—坐封密封面直徑，58 mm。

1.2 擠壓力F2計(jì)算

(2)

2. 卡瓦牙強(qiáng)度計(jì)算

2.1 抗剪強(qiáng)度分析

依據(jù)第三強(qiáng)度理論，即最大剪應(yīng)力理論：

(3)

式中：[σ]—抗拉或抗壓許用應(yīng)力，MPa；σs—材料屈服點(diǎn)，MPa；K2—屈服點(diǎn)安全系數(shù)。

卡瓦牙材料選擇優(yōu)質(zhì)合金鋼42 GrMo，材料屈服點(diǎn)為1 100 MPa，考慮安全系數(shù)取2，可得許用應(yīng)力為550 MPa。

卡瓦牙有效面積為：長×寬=32×25=800 mm2，可得單片卡瓦牙剪切強(qiáng)度為：800×550=440 kN。該工具設(shè)計(jì)卡瓦牙數(shù)量為2片，所以總抗剪切強(qiáng)度為880 kN。若取堵塞器系統(tǒng)安全系數(shù)為3，得到實(shí)際卡瓦牙剪切強(qiáng)度為880/3=293 kN，遠(yuǎn)大于座封壓差所產(chǎn)生的76.6 kN剪切力。

2.2 抗擠強(qiáng)度分析

因卡瓦對堵塞器本體的作用面積為800 mm2，則卡瓦對堵塞器本體產(chǎn)生的壓應(yīng)力為25.63 MPa。而堵塞器本體最小抗擠強(qiáng)度Pc為:

(4)

式中：Ya—平均屈服極限，632.8 MPa；D—本體外徑，40 mm；δ—本體厚度,5 mm。

可見，堵塞器卡瓦牙對本體產(chǎn)生的擠壓力遠(yuǎn)小于的抗擠強(qiáng)度，卡瓦牙本體滿足強(qiáng)度要求。

三、可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1. 密封強(qiáng)度試驗(yàn)

為驗(yàn)證自主研發(fā)的可通過式堵塞器的密封性，首先對堵塞器密封性進(jìn)行分析。如表2所示，給出了兩組試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)壓力分別是8 MPa和18 MPa。但試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩次試驗(yàn)均不滿足要求，工具未能形成良好密封。查找原因后發(fā)現(xiàn)，“O”型密封處存在問題，密封座與堵頭座“O”型密封配合段長度太短。因此修改了密封座尺寸，如圖2所示。

圖2 密封座修改

通過對堵塞器密封座“O”型密封面進(jìn)行加長，使裝配的時(shí)候密封面能順利進(jìn)入而不損傷“O”型密封件。整改后進(jìn)行第2次密封強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，堵塞工具密封試驗(yàn)到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

表2 第一次密封強(qiáng)度試驗(yàn)

2. 下井模擬可行性試驗(yàn)

為驗(yàn)證可通過式堵塞器的坐放功能性，在模擬井上對該工具進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)入井管串為：繩帽+1根加重桿+震擊器+送入工具+可通過式堵塞器。

試驗(yàn)管串入井后能順利通過1#工作筒，到達(dá)2#工作筒時(shí)記錄懸重；緩慢通過2#工作筒繼續(xù)下放2～7 m后緩慢上提，到達(dá)2#工作筒時(shí)觀察懸重；通過懸重的變化確定工具串向上通過了2#工作筒，繼續(xù)上提2～7 m停止；下放工具串，到達(dá)2#工作筒時(shí)懸重為零，說明堵塞器卡瓦牙處于半張開狀態(tài)；繼續(xù)向下震擊工具串，工具串無位移，上提工具串，懸重增加，繼續(xù)緩慢上提驗(yàn)證堵塞器坐封成功，起出送入工具串；環(huán)空打氣壓15 MPa驗(yàn)證堵塞器密封性，穩(wěn)壓30 min，壓降為0.3 MPa，密封合格；泄壓為零后一次性打撈成功。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 可通過式堵塞器試驗(yàn)參數(shù)

四、結(jié)論

(1)針對不壓井起油管作業(yè)需多次下入堵塞器問題，提出了一種可通過式堵塞器，該工具能滿足可通過性要求，準(zhǔn)確下入目標(biāo)工作筒位置并完成坐封，保證帶壓作業(yè)起下油管順利進(jìn)行。

(2)選取了滿足可通過式堵塞器工作需求的材料及密封組件，并對卡瓦牙及卡瓦牙本體進(jìn)行了理論強(qiáng)度校核。

(3)對可通過式堵塞器的可通過性、可坐封性及密封性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn),并對堵塞器結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，滿足帶壓作業(yè)要求。