一種新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具的研究與應(yīng)用

萬宏春,李三喜,李艷飛,蔡斌,葛俊瑞

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 上海工程技術(shù)公司（上海 200335）2.中海石油（中國）有限公司 上海分公司(上海 200335）

0 引言

海上常用油管攜帶式井下安全閥，其采用液壓控制的閥板結(jié)構(gòu)[1-2]，具有密封性好、可靠性高的特點(diǎn)。由于井下環(huán)境惡劣，井下安全閥可能發(fā)生故障而無法正常開啟，導(dǎo)致無法進(jìn)行鋼絲、電纜、連續(xù)油管等作業(yè)，給生產(chǎn)、完井、修井帶來一系列的難題。

井下安全閥因故障出現(xiàn)閥瓣意外關(guān)閉常采用臨時(shí)強(qiáng)開工具和永久鎖定強(qiáng)開工具[3]。臨時(shí)強(qiáng)開工具利用隔離套筒將安全閥閥瓣臨時(shí)強(qiáng)行打開，可以實(shí)現(xiàn)繼續(xù)生產(chǎn)的要求，后續(xù)可以通過鋼絲作業(yè)取出隔離套筒[4]，使安全閥閥瓣再次關(guān)閉，但因隔離套筒內(nèi)徑較小，不能滿足鋼絲、電纜、連續(xù)油管等作業(yè)。永久鎖定強(qiáng)開工具主要是通過鎖定安全閥閥瓣[5]，使閥瓣保持永久打開，雖然閥瓣無法再次關(guān)閉，但實(shí)現(xiàn)了安全閥保持原有通徑，可以滿足鋼絲、電纜、連續(xù)油管等特殊作業(yè)的要求。

針對(duì)井下安全閥閥瓣意外關(guān)閉，為使安全閥保持原有通徑，研制了一種新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具。該強(qiáng)開工具采用釋放卷簧鎖定閥瓣原理，使安全閥保持原有通徑，實(shí)現(xiàn)永久強(qiáng)開，是安全閥閥瓣意外關(guān)閉后一種很好的處理手段。

1 結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具主要由送入工具、卷簧釋放裝置、卷簧3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全通徑井下安全閥強(qiáng)開工具結(jié)構(gòu)示意圖

井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具采用釋放卷簧鎖定閥瓣原理，使安全閥保持原有通徑實(shí)現(xiàn)永久強(qiáng)開，如圖2所示。

圖2 卷簧在安全閥閥瓣中的位置

卷簧釋放裝置送入工具主要由打撈頸、限位銷、剪切銷釘、外層可選擇性推筒、內(nèi)層中心桿組成，如圖3所示，送入工具上部接頭連接卷簧釋放裝置時(shí)，靠彈性爪、內(nèi)層中心桿連接銷釘、下拉桿與卷簧釋放裝置連接；可下?lián)翡摻z工具串，剪斷銷釘，送入工具上部接頭外層推筒下移，使彈性爪與卷簧釋放裝置連接處脫開；在確認(rèn)堵塞器坐牢后，可上擊震擊器，使剪切銷釘、下拉桿與卷簧釋放裝置脫開，起出送入工具。

投送卷簧、釋放卷簧、回收卷簧釋放裝置原理如下：

圖3 送入工具

1）X型堵塞器鎖芯鎖在X型坐落接頭內(nèi)。如圖1 所示，由鋼絲工具串帶著送入工具及卷簧釋放裝置，下至井下安全閥閥瓣位置，工具前端底堵首先強(qiáng)制頂開閥瓣，如圖4 所示。X 型堵塞器鎖芯到達(dá)安全閥上端X 型坐落接頭內(nèi)，通過合攏鋼絲機(jī)械震擊器，向下震擊整個(gè)鋼絲工具串，使堵塞器鎖芯卡瓦撐開完全坐落在X 鎖芯槽內(nèi)，同時(shí)卷簧定位至安全閥閥瓣、閥腔位置，送入工具上部接頭中的剪切銷釘剪斷。

2）送入工具與卷簧釋放裝置脫開。向上提鋼絲工具串，判斷是否過提，確認(rèn)X 型堵塞器鎖芯坐牢，繼續(xù)上提鋼絲工具串，送入工具與卷簧釋放裝置連接固定剪切銷釘剪斷。

3）卷簧釋放。送入工具上部接頭中上連接桿帶動(dòng)整個(gè)中心桿上移，使得支撐瓦固定銷釘剪斷，卷簧工具上的彈簧套上移，漏出卷簧，卷簧因?yàn)樽陨韽椓ψ饔?，在沒有彈簧套的阻擋之后，自動(dòng)彈出，外徑變大，永久留在安全閥閥瓣閥腔位置，將閥瓣撐開，保持安全閥永久打開。

油管攜帶式安全閥一般要求至少要下在海底泥線以下30 m[6]，安全閥閥瓣打開后，會(huì)漏出一塊長約110 mm，厚3 mm圓環(huán)體狹小空間，利用此圓環(huán)體空間，釋放卷簧將閥瓣進(jìn)行永久鎖定強(qiáng)開。設(shè)計(jì)卷簧釋放裝置能夠精準(zhǔn)定位，卷簧能夠可靠釋放在圓環(huán)體空間。

1）通過安全閥上端設(shè)計(jì)X 型坐落接頭，可以懸掛對(duì)應(yīng)，根據(jù)鎖芯位置可以精確定位閥瓣開啟后圓環(huán)體狹小空間具體的位置，如圖5所示，距離B即為鎖芯到閥瓣開啟位置距離（mm），根據(jù)距離B決定卷簧釋放裝置的具體長度；距離C 為閥瓣開啟后漏出的圓環(huán)體空間，根據(jù)距離C 及圓環(huán)體厚度決定卷簧的具體尺寸（mm）；確定尺寸之后，可以保證卷簧釋放裝置能精確定位，卷簧能夠準(zhǔn)確投放至安全閥閥瓣開啟后的狹小的空間內(nèi)，保證閥瓣永久開啟。

2）測量距離C長度為110 mm，閥瓣至下接頭距離為3 mm，設(shè)計(jì)卷簧長度80 mm，厚度2 mm，材料為不銹鋼耐腐蝕長方形鋼板，卷縮而成，具有一定的彈性力。該卷簧要求放在卷簧釋放裝置內(nèi)不能發(fā)生塑性變形，彈力滿足正常回彈，且卷簧回彈至正常位置能夠克服扭簧的彈力將安全閥閥瓣撐開。卷簧釋放后內(nèi)徑滿足≥71.5 mm，不能影響生產(chǎn)管柱的內(nèi)通徑，卷簧大于圓周彈性防腐蝕金屬片，具有較強(qiáng)的彈性力。

1.2 作業(yè)步驟

圖4 全通徑強(qiáng)開工具原理圖

圖5 油管攜帶式安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

全通徑安全閥強(qiáng)開工具用于強(qiáng)行開啟井下安全閥閥瓣，并對(duì)閥瓣進(jìn)行永久性鎖定。該全通徑強(qiáng)開工具可實(shí)現(xiàn)一趟下入和一趟回收，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1）下入步驟：全通徑強(qiáng)開工具用送入工具上部接頭工具下入，一旦全通徑強(qiáng)開工具進(jìn)入并鎖定到油管攜帶式井下安全閥X 型坐落接頭臺(tái)階，向上震擊下入工具，脫手送入工具上部接頭，同時(shí)剪斷銷釘釋放卷簧，繼續(xù)向上震擊將下入工具回收到地面。

2）起出步驟：全通徑強(qiáng)開工具使用GS工具一趟回收，GS 回收工具下到位之后，會(huì)抓住全通徑強(qiáng)開工具卷簧釋放裝置上部的打撈頸，向上震擊，將全通徑強(qiáng)開工具卷簧釋放裝置回收到地面。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)將卷簧釋放裝置與X 型堵塞器、送入工具進(jìn)行組裝，測量各個(gè)工具內(nèi)外徑、長度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。測試表明，各個(gè)連接工具配合良好，銷釘安裝準(zhǔn)確。模擬實(shí)際施工過程，進(jìn)行強(qiáng)開工具投送、釋放卷簧實(shí)驗(yàn)、回收卷簧釋放裝置及通徑實(shí)驗(yàn)。

2.1 強(qiáng)開工具投送、釋放卷簧實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)流程如圖6 所示。工具準(zhǔn)備：Φ 88.9 mm油管，Φ 71.45 mm 油管攜帶式井下安全閥，卷簧釋放裝置一套，送入工具一套，主要包括X 型堵塞器、卷簧釋放裝置、卷簧；送入工具主要包括送入工具上部接頭、探桿等。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）投送過程。將送入工具上部接頭置于非選擇位，送入工具和卷簧釋放裝置連接在一起，通過鋼絲作業(yè)送至安全閥以上，將堵塞器鎖鍵鎖在安全閥內(nèi)置X 型坐落接頭卡槽內(nèi)，通過合攏鋼絲機(jī)械震擊器，向下震擊鋼絲工具串。

2）釋放過程。緩慢上提送入工具，剪切送入工具上部接頭與卷簧釋放裝置連接銷釘。繼續(xù)上提工具串，將工具串提出卷簧釋放裝置。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，全通徑強(qiáng)開工具能夠順利下至安全閥閥瓣，X 型堵塞器能夠準(zhǔn)確定位X 型坐落接頭位置，并順利坐落；卷簧順利釋放；送入工具上部接頭工具能夠正常脫手，正常起出。

2.2 回收卷簧釋放裝置實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)流程如圖7所示。工具準(zhǔn)備：Φ 88.9 mm GS回收工具，Φ 47.625 mm鋼絲機(jī)械震擊器，Φ 47.625 mm加重桿等各一套。

實(shí)驗(yàn)步驟：緩慢將GS工具送入至X型堵塞器打撈頸內(nèi)，緩慢上提GS工具串，拉開堵塞器鎖定塊，堵塞器鎖定塊支撐塊下移，堵塞器鎖定塊脫離坐落接頭鎖芯槽，堵塞器上移，帶動(dòng)整個(gè)卷簧釋放裝置上移，順利從安全閥內(nèi)取出。

檢查卷簧釋放情況，發(fā)現(xiàn)卷簧釋放裝置正常工作，卷簧擋環(huán)正常動(dòng)作，卷簧釋放完成。

實(shí)驗(yàn)證明，卷簧釋放裝置能夠順利回收，工具能按照設(shè)定機(jī)構(gòu)動(dòng)作，且卷簧不影響釋放裝置回收。

2.3 通徑實(shí)驗(yàn)

通徑實(shí)驗(yàn)流程如圖8 所示。工具準(zhǔn)備：內(nèi)含釋放卷簧的油管攜帶式安全閥（Φ 71.45 mm），Φ 70 mm 通徑規(guī)，Φ 47.625 mm 鋼絲機(jī)械震擊器，Φ 47.625 mm加重桿等各一套。

圖6 投送、釋放卷簧測試示意圖

圖7 回收卷簧釋放裝置測試示意圖

圖8 通徑測試示意圖

實(shí)驗(yàn)步驟：將Φ 70 mm通徑規(guī)+Φ 47.625 mm機(jī)械震擊器+Φ 47.625 mm 加重桿組合緩慢通過井下安全閥，在安全閥閥瓣位置來回移動(dòng)幾次，無阻掛現(xiàn)象；驗(yàn)證卷簧釋放后，卷簧內(nèi)通徑無臺(tái)階，無縮徑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過反復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，Φ 70 mm通徑規(guī)可以正常通過安全閥。

3 某區(qū)塊B5井應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用井基本數(shù)據(jù)

海上油氣田某區(qū)塊B5井為一口開發(fā)生產(chǎn)氣井，生產(chǎn)后期需起管柱進(jìn)行上返補(bǔ)孔作業(yè)。上返補(bǔ)孔作業(yè)前需進(jìn)行井筒處理，井筒處理期間要進(jìn)行鋼絲作業(yè)打開滑套反循環(huán)壓井、電纜切割油管、起出上部油管、套銑封隔器等作業(yè)。由于井下安全閥控制管線泄漏，導(dǎo)致閥瓣自動(dòng)關(guān)閉[7]，造成生產(chǎn)管柱通道堵塞，無法進(jìn)行鋼絲作業(yè)開滑套及電纜切割油管作業(yè)，給壓井、切割油管作業(yè)帶來困難。因此需將井下安全閥閥瓣強(qiáng)制打開，保持生產(chǎn)管柱內(nèi)通道暢通，滿足鋼絲、電纜作業(yè)[8]。生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)管柱示意圖

3.2 應(yīng)用過程

具體作業(yè)步驟如下：

1）井口組裝鋼絲防噴管，對(duì)防噴器及工具串進(jìn)行試壓，試壓合格。

2）通徑作業(yè)。工具串組合：Φ 47.625 mm繩帽+Φ 47.625 mm 旋轉(zhuǎn)節(jié)+ Φ 47.625 mm 加重桿254 mm（10"）+ Φ 47.625 mm 萬向節(jié)+ Φ 47.625 mm 機(jī)械震擊器762 mm（30"）+Φ 53.6 mm 扶正器+ Φ 38.1 mm加重桿203.2 mm（8"）+Φ 70.0 mm通徑規(guī)。

下入通徑工具串，通徑至井下安全閥閥板以下50 m，輕探并記錄閥瓣位置。

3）下入卷簧釋放裝置，釋放卷簧。工具串組合：繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+萬向節(jié)+送入工具+卷簧釋放裝置。連接全通徑強(qiáng)開工具，送入工具、卷簧釋放裝置，設(shè)定送入工具上部接頭工具處于非選擇位，緩慢下放至井下安全閥的閥板位置，半合機(jī)械震擊器；緩慢下放鋼絲工具串將X 鎖芯坐落于X 型坐落接頭，向下震擊完全釋放X 鎖芯，過提驗(yàn)證鎖芯鎖緊后，向上震擊，脫手卷簧釋放裝置送入工具，起出工具串，檢查卷簧釋放裝置送入工具上部接頭脫手銷釘、中心桿銷釘正常剪切[9-11]。

4）回收卷簧釋放裝置。工具串組合：繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+萬向節(jié)+GS 工具。下入工具串至井下安全閥，到位后嘗試回收卷簧釋放裝置，緩慢下放后上提確認(rèn)撈住卷簧釋放裝置本體，起出后檢查工具正常，卷簧釋放成功。

5）再次通徑作業(yè)。工具串組合：繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+扶正器+加重桿+Φ 70.0 mm 通徑規(guī)。下入通徑工具串，通徑至井下安全閥閥板以下50 m，驗(yàn)證卷簧釋放后未影響管柱內(nèi)通徑，滿足后續(xù)其他作業(yè)需求。

6）通過鋼絲作業(yè)打開滑套，反循環(huán)壓井。

7）下入電纜切割工具至4 200 m，切割油管，起出原井生產(chǎn)管柱。

4 結(jié)論

1）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用，證明該新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具連接簡便、強(qiáng)度合格、釋放卷簧性能可靠，且送入工具及回收工具相關(guān)機(jī)構(gòu)能夠在設(shè)定壓力下準(zhǔn)確動(dòng)作。充分說明該工具設(shè)計(jì)合理，滿足施工作業(yè)要求，具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

2）該工具在某區(qū)塊B5井成功應(yīng)用，且在施工過程中操作方便，安全高效，當(dāng)安全閥出現(xiàn)同類問題時(shí)可提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3）該工具的成功應(yīng)用，表明針對(duì)不同型號(hào)的安全閥，可根據(jù)安全閥具體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行卷簧裝置的重新設(shè)計(jì)，具有推廣應(yīng)用的條件。