適用于高壓含硫氣井電子式脫掛器的研制

中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦 四川 遂寧 629000

磨高區(qū)塊龍王廟組及燈影組氣藏為高溫、高壓、酸性氣藏,川中油氣礦產(chǎn)量主要來源于磨高區(qū)塊,該區(qū)塊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)重,試井裝備不足,傳統(tǒng)試井工藝壓力監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng),成本費(fèi)用高,試井裝備長(zhǎng)處于高溫、高壓、高含硫環(huán)境,存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,有必要針對(duì)高壓含硫氣井研制一種新型的利用鋼絲作業(yè)投放和撈出且安全可靠的壓力計(jì)電子式脫掛工具,從根本上解決了長(zhǎng)時(shí)間占用鋼絲試井車,鋼絲腐蝕嚴(yán)重而導(dǎo)致的儀器落井問題,提高了試井裝備的有效利用率,降低試井作業(yè)成本,又大大減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,并且杜絕了井口防噴系統(tǒng)漏失的安全隱患。

1 結(jié)構(gòu)及原理

研制電子式脫掛器的初衷是為了試井作業(yè)擺脫鋼絲的束縛,將儀器置于井下,增加鋼絲的使用率,降低下井成本。脫掛器要能夠使用鋼絲順利下至指定位置,使用某種方式觸發(fā)后,脫掛器外徑能夠迅速增大,卡在油管內(nèi)壁,然后將鋼絲起出,脫掛器與測(cè)試儀器留在井下。測(cè)試完成后使用專用工具用鋼絲進(jìn)行打撈。為適應(yīng)磨高區(qū)塊工況,研制設(shè)計(jì)承壓80MPa、耐溫150℃、抗硫化氫、抗二氧化碳的電子式脫掛器。整套工具包括四個(gè)部分:(1)電動(dòng)投放器(2)脫掛器(3)打撈器(4)XGQV100軟件系統(tǒng)。

1.1 電動(dòng)投放器 使用電池組件供電,依靠電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫掛器的觸發(fā),使脫掛器懸掛于指定位置。由投放短節(jié)和電池短節(jié)兩部分構(gòu)成,見圖1～3。其特點(diǎn)如下:

(1)電池組件容量大,驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)。電池組采用4節(jié)高溫大容量電池串連,保證電池組的驅(qū)動(dòng)能力及使用可靠性;(2)動(dòng)作可靠性高。采用推力軸承平衡外部加在輸出軸上的壓力;(3)密封可靠。電池路通、電路護(hù)筒、傳動(dòng)軸三處采用雙道膠圈,保證密封的可靠性。

圖1 投放短節(jié)剖面圖

1.2 脫掛器 脫掛器為純機(jī)械結(jié)構(gòu),施工時(shí),將脫掛器使用電動(dòng)投放器下至指定位置后,到達(dá)設(shè)定時(shí)間后電動(dòng)投放器電機(jī)動(dòng)作,使脫掛器觸發(fā),支撐臂張開,脫掛器錨定于油管內(nèi)壁。脫掛器錨定后,上提投放器,由于已解除鎖定塊的限位,鎖定塊可以向上翻轉(zhuǎn),從而使投放器與脫掛器脫離。其特點(diǎn)如下:

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。脫掛器錨定機(jī)構(gòu)采用連桿結(jié)構(gòu),動(dòng)作迅速,結(jié)構(gòu)緊湊;

(2)雙向錨定。脫掛器支撐臂分為上下兩組,共六個(gè),齒向相反,在圓周方向均布,在扶正的同時(shí),保證儀器能可靠的錨定在油管內(nèi);

(3)可靠性高。支撐臂觸發(fā)后處于機(jī)械自鎖狀態(tài),保證錨定的可靠性。

1.3 打撈器 打撈器為純機(jī)械結(jié)構(gòu)。打撈器的解卡功能也是依靠彈簧實(shí)現(xiàn),初始狀態(tài)下彈簧收縮蓄能,待與懸掛器對(duì)接成功后觸發(fā)打撈器,使打撈器上的彈簧釋放,依靠打撈器的外殼下壓懸掛器的固定架體,實(shí)現(xiàn)解卡功能。

依靠計(jì)算,保證打撈器上彈簧伸長(zhǎng)后的最小彈簧力大于懸掛器上彈簧壓縮后的彈簧力,即可保證解卡后懸掛器的支撐爪處于完全收起的狀態(tài)。其特點(diǎn)如下:

(1)打撈器采用純機(jī)械結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)緊湊;

(2)打撈器在抓住脫掛器后,使用推力彈簧使脫掛器的支撐臂完全收起,保證脫掛器解除自鎖狀態(tài),順利打撈;

(3)打撈時(shí)使脫掛器的支撐臂處于完全收起狀態(tài),可有效保護(hù)支撐臂不受損傷,同時(shí)可保護(hù)油管內(nèi)壁不被刮傷。

圖2 脫掛器剖面圖

圖3 脫掛器剖面圖

1.4 XGQV100軟件系統(tǒng) XGQV100軟件用于設(shè)定電動(dòng)投放器的動(dòng)作時(shí)間,定義完成對(duì)脫掛器的觸發(fā)時(shí)間。

2 試驗(yàn)效果

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

(1)投放器承壓性能測(cè)試。在打壓筒對(duì)投放器打壓80 MPa,進(jìn)行儀器承壓性能測(cè)試,密封面無漏水現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)論:投放器的電路護(hù)筒及電池護(hù)筒的密封性能及承壓性能滿足80 MPa以內(nèi)要求。

(2)投放器高溫性能試驗(yàn)。投放器整體進(jìn)行烘高溫150℃,保溫1小時(shí)后,在高溫狀態(tài)下驗(yàn)證儀器是否可以正常動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:在150℃環(huán)境下,電池可驅(qū)動(dòng)投放器電機(jī)正常動(dòng)作,可順利觸發(fā)脫掛器,使脫掛器支撐臂打開。

(3)投放器的定時(shí)誤差測(cè)試。設(shè)置不同的觸發(fā)時(shí)間,上電后測(cè)定相對(duì)應(yīng)的實(shí)際觸發(fā)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)論:投放器的定時(shí)誤差與電機(jī)動(dòng)作持續(xù)時(shí)間誤差均在10s內(nèi)。

(4)投放器的抗振動(dòng)、抗沖擊性能測(cè)試。在加速度為29.4m/s2,頻率為10～200 Hz,掃頻頻率1oct/min,時(shí)間為30min參數(shù)下,投放器仍可以正常動(dòng)作,滿足要求;“儀器沖擊性能試驗(yàn)”項(xiàng),將儀器提離地面25cm左右,使投放器進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng),重復(fù)五次后,投放器仍可以正常動(dòng)作,滿足要求。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 電子式壓力計(jì)脫掛器研制完成后,首先在高磨區(qū)塊磨溪18井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。磨溪18井生產(chǎn)套壓20.5 MPa,油8.7 MPa,日產(chǎn)氣1.1×104m3,日產(chǎn)水21m3,天然氣甲烷含量95.98%,相對(duì)密度0.5864,硫化氫含量8.71g/m3,二氧化碳44.96g/m3。

試驗(yàn)過程如下:

(1)通井:井口、通徑工具串及防噴管準(zhǔn)備,通徑規(guī)φ59.5mm,通徑至4020m;

(2)投放脫掛器:設(shè)定電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間,接電池組件,安裝好電池短節(jié),將裝配好的脫掛器用鋼絲下入到試驗(yàn)井油管中,待設(shè)定時(shí)間到,電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)觸發(fā)機(jī)構(gòu)動(dòng)作,卡爪張開并鎖定,完成座掛;緩慢下放鋼絲,驗(yàn)證脫掛器座掛情況,緩慢上提鋼絲使投放器與脫掛器分離,完成丟手,收回投放工具串。

(3)打撈脫掛器:更換投放器為打撈工具,利用鋼絲下入打撈工具串,待到達(dá)脫掛器座掛位置上方10米左右,向下微振擊打撈脫掛器將脫掛器從井內(nèi)起出。

試驗(yàn)結(jié)論:分別在磨溪18井3000m、4000m處進(jìn)行2次投放、錨定、打撈試驗(yàn),并驗(yàn)證其錨定后的可靠性,本次投放、錨定、打撈試驗(yàn)成功

2.3 試驗(yàn)效果評(píng)價(jià) 通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該投放器電池組件容量大,電機(jī)驅(qū)動(dòng)力強(qiáng),能夠順利投放。脫掛器采用連桿機(jī)構(gòu),動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、雙向錨定、機(jī)械自鎖、可靠性高。打撈器采用純機(jī)械結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)緊湊、卡瓦完全收回,順利打撈。

以目前開展為期1個(gè)月的連續(xù)壓力監(jiān)測(cè)為例,如果采用常規(guī)壓力監(jiān)測(cè)工藝需要費(fèi)用112.8萬元,其中試井費(fèi)用93.0萬元(包含人員費(fèi)用),每天3.1萬元;吊車費(fèi)用19.8萬元,每小時(shí)275元。采用電子式脫掛器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)僅需動(dòng)用試井裝備和吊車2天,共計(jì)7.52萬元,其中試井費(fèi)用6.2萬元,吊車費(fèi)1.32萬元,為期1月壓力監(jiān)測(cè)節(jié)省費(fèi)用105.28萬元。磨溪龍王廟氣藏觀察井3口,根據(jù)觀察井壓力監(jiān)測(cè)需要,每口井每年至少監(jiān)測(cè)3個(gè)月計(jì)算,全部推廣電子式脫掛器進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè),每年可以節(jié)省壓力監(jiān)測(cè)費(fèi)947.52萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)論

(1)該工藝技術(shù)可在較短時(shí)間內(nèi)完成多口井的試井作業(yè),提高試井設(shè)備的利用率和試井作業(yè)效率。

(2)電子式脫掛器下至指定位置,使用電動(dòng)方式觸發(fā)后,脫掛器外徑能夠迅速增大,卡瓦采用上下雙向卡瓦,滿足在扶正的同時(shí),保證脫掛器能可靠的錨定在油管內(nèi)。

(3)通過新型電子式脫掛器的研制,形成一種新的井底壓力長(zhǎng)期測(cè)試方式,達(dá)到削減三高氣井測(cè)試風(fēng)險(xiǎn),降低測(cè)試費(fèi)用的目的。