一趟防砂管柱坐封驗(yàn)封自切換工具研究及實(shí)驗(yàn)

王良杰，王柳，劉鐵明，蔣暢，程心平

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457）

0 引言

油田注水井防砂包括坐封和驗(yàn)封2個(gè)步驟，需要下入2趟管柱才能完成坐封和驗(yàn)封施工操作[1]。如果能把2趟管柱施工變?yōu)?趟，即可減少作業(yè)時(shí)間和降低作業(yè)成本[2-3]。本文研究開(kāi)發(fā)了自切換開(kāi)關(guān)控制閥，在井口通過(guò)壓力控制，實(shí)現(xiàn)開(kāi)和關(guān)遠(yuǎn)程操作，把坐封和驗(yàn)封功能集中成1趟管柱。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自切換開(kāi)發(fā)控制閥功能，僅通過(guò)壓力控制實(shí)現(xiàn)了自切換閥循環(huán)開(kāi)/關(guān)操作[4]。

1 管柱工藝原理

1.1 管柱構(gòu)成

根據(jù)目標(biāo)井分層數(shù)和井筒尺寸情況，如圖1所示（按4層分注為例）。首先，按施工設(shè)計(jì)管柱井口連接好外層防砂管柱，如圖1（a）所示，包括篩管、封隔器和密封筒等工具；其次，自下而上連接防砂管內(nèi)管，如圖1（b）所示，包括單流閥、自切換開(kāi)關(guān)閥和擴(kuò)張式封隔器等；再次，連至懸掛丟手封隔器時(shí)，封隔器把外層防砂管柱和內(nèi)層坐封驗(yàn)封自切換管柱連接成一體，形成一體化的防砂管柱，如圖1（c）所示；最后，通過(guò)油管或鉆桿下至設(shè)計(jì)深度，如圖1（d）所示。該管柱組成內(nèi)部服務(wù)管柱因同時(shí)具備坐封、驗(yàn)封功能，故下入本趟施工管柱后，后面僅通過(guò)井口壓力控制自切換開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，就可以完成防砂管柱坐封和驗(yàn)封，不需要再下入第二趟管柱[5]。

圖1 自切換開(kāi)關(guān)閥驗(yàn)封坐封管柱示意圖

1.2 施工步驟

1）自切換坐封驗(yàn)封一體化施工管柱下入到目標(biāo)井深后，在井口控制油管內(nèi)的壓力，向油管內(nèi)打低壓（2～6 MPa），此時(shí)防砂管柱上的最下一個(gè)工具，即底部支撐錨定器的卡瓦向外擴(kuò)張，繼續(xù)下放管柱約3～6 t，錨定器卡瓦牙咬定套管內(nèi)壁上，坐封底部支撐錨定器，實(shí)現(xiàn)外層防砂管柱錨定，如圖2（a）所示。錨定坐封完成后，油管內(nèi)不泄壓維持恒定的壓力值，保證在下一步驟之前自切換開(kāi)關(guān)控制閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，維持油管內(nèi)的壓力。

2）油管內(nèi)繼續(xù)升高壓力至封隔器設(shè)計(jì)的坐封壓力，完成自切換閥所在位置的隔離封隔器坐封，并同時(shí)坐封懸掛丟手封隔器，并實(shí)現(xiàn)懸掛丟手封隔器丟手。此時(shí)，防砂內(nèi)、外管相互分離，內(nèi)服務(wù)管柱和自切換開(kāi)關(guān)閥能夠任意上提下放，如圖2（b）所示。

圖2 自切換開(kāi)關(guān)閥坐封驗(yàn)封步驟示意圖

3）泄油后再次給油管打壓，此時(shí)自切換開(kāi)關(guān)閥換軌后處于開(kāi)啟狀態(tài)，內(nèi)部服務(wù)管柱切換到驗(yàn)封功能狀態(tài)，完成最下一級(jí)隔離封隔器的驗(yàn)封，如圖2（c）所示。驗(yàn)封結(jié)束后，油管泄壓。

4）待擴(kuò)張式驗(yàn)封封隔器膠筒回縮后，上提油管使內(nèi)管上的坐封總成位于下一級(jí)隔離封隔器，同樣在井口采取壓力控制方式，切換自切換開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，打壓坐封該級(jí)封隔器，如圖2（d）所示。泄壓后再次打壓，軌道開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，完成對(duì)該及隔離封隔器的驗(yàn)封。

5）繼續(xù)上提油管，即可逐級(jí)完成對(duì)井下所有封隔器的坐封和驗(yàn)封，對(duì)于某一級(jí)驗(yàn)封不合格的封隔器可以反復(fù)坐封和驗(yàn)封。

2 技術(shù)介紹

2.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖3所示，自切換開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：1）定壓閥部分，液體從軌道開(kāi)關(guān)出水口出水時(shí)，需推動(dòng)定壓閥壓縮定壓彈簧，使出水口內(nèi)外產(chǎn)生節(jié)流壓差；2）變位活塞部分，活塞運(yùn)動(dòng)的極限位置由銷(xiāo)釘在軌道滑槽的位置決定，不同的位置對(duì)應(yīng)于軌道開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟、關(guān)閉狀態(tài)；3）軌道滑槽部分，銷(xiāo)釘?shù)倪\(yùn)動(dòng)始終控制在軌道滑槽內(nèi)，通過(guò)軌道槽的設(shè)計(jì)路徑來(lái)控制銷(xiāo)釘?shù)妮S向位移和圓周方向的位移。除上述主要組成外，軌道開(kāi)關(guān)閥還設(shè)計(jì)有球座部分，當(dāng)軌道開(kāi)關(guān)閥在井下出現(xiàn)換軌失效或密封失效的情況時(shí)，通過(guò)投球并定位在球座上，使軌道開(kāi)關(guān)閥變?yōu)閱瘟鏖y，繼續(xù)完成施工操作。

圖3 自切換開(kāi)關(guān)控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工具原理

如圖4所示，銷(xiāo)釘安裝在自切換閥零件的軌道槽內(nèi)，運(yùn)動(dòng)軌跡與滑槽軌道的設(shè)計(jì)路徑一致。改變自切換閥工具內(nèi)部的壓力，切換壓力狀態(tài)，銷(xiāo)釘即沿著軌道槽路徑運(yùn)動(dòng)[6-7]。當(dāng)自切換開(kāi)關(guān)控制閥內(nèi)外壓差為零時(shí)，變位活塞因復(fù)位彈簧的推力處于初始狀態(tài)，自切換閥的滑動(dòng)銷(xiāo)釘處于C1位置，如圖5所示。自切換開(kāi)關(guān)控制閥原理步驟如下：

圖4 軌道滑槽實(shí)物外形

圖5 軌道滑槽平面展開(kāi)軌跡

1）增加自切換開(kāi)關(guān)閥內(nèi)部壓力，液壓力推動(dòng)變位活塞軸向移動(dòng)，銷(xiāo)釘在軌道槽內(nèi)滑移，移動(dòng)至極限位置A點(diǎn)。當(dāng)銷(xiāo)釘在A點(diǎn)時(shí)，自切換開(kāi)關(guān)閥出水閥處于關(guān)閉狀態(tài)，流體不可通過(guò)自切換開(kāi)關(guān)閥進(jìn)入油套環(huán)空，內(nèi)層防砂服務(wù)管柱具有坐封功能。

2）降低自切換開(kāi)關(guān)閥內(nèi)部的壓力，直至內(nèi)部壓力小于銷(xiāo)釘換軌壓力，復(fù)位彈簧推動(dòng)銷(xiāo)釘向下移動(dòng)，銷(xiāo)釘沿著軌道軌跡移動(dòng)到C2位置，自切換開(kāi)關(guān)閥恢復(fù)最初狀態(tài)。

3）再一次增加自切換開(kāi)關(guān)閥內(nèi)部的壓力，液壓力推動(dòng)變位活塞移動(dòng)，軌道銷(xiāo)釘移動(dòng)到B點(diǎn)。當(dāng)銷(xiāo)釘在B點(diǎn)時(shí)，自切換開(kāi)關(guān)閥出水口處于開(kāi)啟狀態(tài)，流體通過(guò)出水口進(jìn)入油套環(huán)空，即可驗(yàn)證防砂封隔器的密封性能，內(nèi)層防砂服務(wù)管柱具有驗(yàn)封功能。

4）再一次降低自切換開(kāi)關(guān)閥內(nèi)部的壓力，銷(xiāo)釘回到C1位置，自切換工具又回到最初的狀態(tài)。

5）重復(fù)上面的步驟即可完成軌道開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)、關(guān)，而內(nèi)管柱在驗(yàn)封、坐封兩種功能狀態(tài)下進(jìn)行互相切換。

2.3 工藝技術(shù)特點(diǎn)

1）采用純機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可重復(fù)使用，有效壽命期長(zhǎng)；2）自切換閥的開(kāi)啟/關(guān)閉切換壓力可以設(shè)置，可根據(jù)目標(biāo)井實(shí)際需要設(shè)定換軌壓力，操作方便；3）優(yōu)化的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，銷(xiāo)釘與接觸的軌道采用相切設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，避免銷(xiāo)釘滑動(dòng)受卡，安全可靠；4）整個(gè)使用過(guò)程，銷(xiāo)釘不承受較大的載荷力，只起滑移導(dǎo)向的作用。

2.4 技術(shù)參數(shù)

長(zhǎng)度為1400 mm；最大外徑為φ115 mm；最小內(nèi)徑為φ30 mm；換軌壓力為0.7～2.0 MPa；開(kāi)啟壓力為4～6 MPa。

3 工具實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1）對(duì)工具進(jìn)行壓力控制，檢驗(yàn)自切換開(kāi)關(guān)閥能否順利換軌。2）換軌過(guò)程中，自切換開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，出水口能正常出水，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，出水口能有效密封。

3.2 工具實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

工具實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 自切換開(kāi)關(guān)閥實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄

1）自切換開(kāi)關(guān)控制閥下接頭連接堵頭，上接頭與泵連接。實(shí)驗(yàn)選用兩套軌道開(kāi)關(guān)控制閥，分別與小排量泵連接，大排量泵連接。如圖6所示。

圖6 自切換開(kāi)關(guān)閥上下接頭連接示意圖

2）啟泵打壓，檢驗(yàn)自切換開(kāi)關(guān)閥的換軌性能，并當(dāng)工具處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)自切換閥在關(guān)閉狀態(tài)下的密封效果。表2是分別是兩套開(kāi)關(guān)控制閥實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄。

表2 工具開(kāi)關(guān)自切換實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)語(yǔ)

1）兩套自切換開(kāi)關(guān)控制分別進(jìn)行6次開(kāi)關(guān)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)泵出口壓力控制，工具均能實(shí)現(xiàn)換軌。泄壓后，開(kāi)關(guān)閥閥套均能回到原始位置。工具軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，零部件之間無(wú)卡阻現(xiàn)象。

2）打開(kāi)狀態(tài)下，出水閥能在4 MPa左右開(kāi)啟，并在開(kāi)啟之前，能夠完成出水閥閥套的換軌，表明換軌壓力小于出水口開(kāi)啟壓力，二者壓力關(guān)系滿足達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）工具密封性能和開(kāi)啟性能良好。當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，工具整體憋壓大于20 MPa以上；處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，工具出水口能順利出水。