連續(xù)管速度管柱帶壓起出封堵工具的研究與應(yīng)用*

張士彬 左 挺 祝 葉 付 悅 任 彬 李 偉

(1.中石油江漢機械研究所有限公司 2.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司)

0 引 言

連續(xù)管速度管柱在油氣田致密氣井已應(yīng)用1 000余井次，排液及增產(chǎn)效果顯著[1-7]。通過對其技術(shù)升級完善，進一步拓展到高含硫致密氣井，可適應(yīng)硫化氫含量近800 mg/m3低壓氣井的帶壓連續(xù)管速度管柱和排水采氣作業(yè)，2018年以來已應(yīng)用60余井次，應(yīng)用需求逐年增加[8-10]。因高含硫腐蝕環(huán)境下管材腐蝕評價，以及速度管柱生產(chǎn)井再次積液后開展其他工藝措施等需求，需帶壓起出井內(nèi)連續(xù)管[11-14]。而實現(xiàn)帶壓起管的關(guān)鍵技術(shù)是井內(nèi)連續(xù)管管內(nèi)封堵和回接，其中井內(nèi)連續(xù)管管內(nèi)封堵是帶壓起管的先決條件。

現(xiàn)有管內(nèi)堵塞器的主要工作原理為上提釋放坐封，繼續(xù)上提丟手[15]。該堵塞器的坐封方式簡單，能適應(yīng)帶較大內(nèi)焊縫毛刺的連續(xù)管有效密封，但在尺寸、強度和密封性能方面仍存在一定的問題。如尺寸方面，不同于?38.1 mm(1.5 in)連續(xù)管，?31.8 mm(1.25 in)連續(xù)管匹配的堵塞器最大允許外徑僅25 mm，在保證高強度和密封的同時，必須優(yōu)化或重新設(shè)計堵塞器結(jié)構(gòu)，設(shè)計難度進一步加大；強度方面，該堵塞器通常需要在較大上提載荷下坐封和丟手，工具自身如存在強度不足將會造成過載拉斷，膠筒會因過度壓縮而開裂失效，連續(xù)管與配套的懸掛機構(gòu)也容易松脫發(fā)生溜管；密封性能方面，該堵塞器只有在釋放丟手后才能對其進行驗封，無法在工具坐封過程中即時驗封以及調(diào)整坐封所需的上提載荷，一旦驗封不合格只能繼續(xù)投放另一個堵塞器工具，此舉可能導(dǎo)致后續(xù)連續(xù)管回接時所需的安裝長度不足而無法回接。

為克服上提坐封式管內(nèi)堵塞器過載坐封及無法即時驗封的問題，并適應(yīng)更小尺寸連續(xù)管速度管柱帶壓起管作業(yè)需求，本文依據(jù)現(xiàn)有上提坐封式管內(nèi)堵塞器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了連續(xù)管封堵用旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器。

1 工具結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

連續(xù)管封堵用旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器如圖1所示。由圖1可見，該工具主要由彈性棘爪、鎖緊螺母、箍簧、錨爪、卡瓦座、膠筒、芯軸和摩擦片構(gòu)成。該工具在自由狀態(tài)下總長度為300 mm，最大外徑24 mm，適用于?38.1 mm甚至更小尺寸連續(xù)管管內(nèi)封堵作業(yè)。

1.2 工作原理

旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器作業(yè)過程分為下放送入、旋轉(zhuǎn)坐封和丟手3個階段，如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器丟手3種狀態(tài)Fig.2 Release states of rotary setting internal packer

(1)下放送入。將旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器與具有軸向進給和周向旋轉(zhuǎn)功能的送入桿連接，放入到作業(yè)井口內(nèi)并連接好井口。在井口帶壓條件下，可通過液壓驅(qū)動使送入桿下行，帶動管內(nèi)堵塞器緩慢進入連續(xù)管內(nèi)，芯軸下部的導(dǎo)錐經(jīng)過井口處連續(xù)管管口時，該工具摩擦片在推力作用下與連續(xù)管內(nèi)壁彈性結(jié)合。

(2)旋轉(zhuǎn)坐封。繼續(xù)送入管內(nèi)堵塞器到連續(xù)管管口以下設(shè)計深度(一般1.5～2.0 m)，停止下入并驅(qū)動送入桿順時針旋轉(zhuǎn)，使送入接頭帶動鎖緊螺母沿芯軸上部螺紋旋合上扣。由于摩擦片與連續(xù)管內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力，可使芯軸周向靜止，從而為芯軸提供反扭矩，鎖緊螺母在旋合的同時也軸向移動，推動卡瓦張開錨定在連續(xù)管內(nèi)壁上，此時膠筒也被壓縮。根據(jù)室內(nèi)試驗得到的旋合扭矩與密封壓差的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合井口壓力情況，將管內(nèi)堵塞器旋轉(zhuǎn)到一定扭矩值，按照現(xiàn)有操作規(guī)程和要求，井口放空驗封。如驗封合格，進一步考慮井口憋壓下壓力隨時間上升的關(guān)系，將扭矩值調(diào)整到滿足作業(yè)時間間隔內(nèi)壓力持續(xù)增長時的密封要求，并滿足1.25倍的安全系數(shù)要求；如驗封不合格，將扭矩值增大到試驗得到扭矩值的1.25倍后繼續(xù)驗封，直至驗封合格。最終的扭矩值仍按照滿足作業(yè)時間間隔情況下壓力持續(xù)增長時的密封要求，并達到1.25倍安全系數(shù)扭矩要求。

(3)釋放丟手。管內(nèi)堵塞器坐封完成后，驅(qū)動送入桿上行，使其與管內(nèi)堵塞器脫離。取出送入桿，帶動送入接頭和彈性棘爪一同從管內(nèi)堵塞器上脫離，管內(nèi)封堵作業(yè)完成，可進行后續(xù)起管操作。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大適應(yīng)外徑：24 mm；

額定密封壓差：35 MPa；

額定密封壓差下的最小坐封扭矩：60 N·m；

丟手載荷：500 N；

工具總長：300 mm。

1.4 性能特點

(1)坐封式管內(nèi)堵塞器工作時，利用摩擦片與連續(xù)管內(nèi)壁的彈性接觸，將其轉(zhuǎn)化成為可提供反扭矩的基座，實現(xiàn)了坐封方式從常規(guī)的大載荷上提坐封轉(zhuǎn)變?yōu)槎c旋轉(zhuǎn)坐封，可以降低以往大載荷上提坐封帶來可能拉松管柱的風險。

(2)采用旋轉(zhuǎn)方式坐封，坐封過程中可多次進行增加坐封扭矩和驗封，直至滿足當前井內(nèi)壓力密封要求。此舉有效減少單井工具配套數(shù)量，且不會使管內(nèi)堵塞器本身出現(xiàn)過載。旋轉(zhuǎn)上扣的扭矩可根據(jù)井筒內(nèi)實際壓力、工具錨定情況以及安全系數(shù)設(shè)定的要求進行調(diào)節(jié)。

(3)楔形平面式的卡瓦座可以周向定位錨爪位置，保護其不被剮蹭，同時增加錨定的可靠性，使坐封過程無滑移，坐封位置更加精確可控。

(4)采用彈性棘爪實現(xiàn)安全、高效和可靠的釋放丟手，除可減小釋放所需的載荷外，隨送入工具起出的部分零部件還可重復(fù)利用，從而降低工具配套成本。

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 鎖緊螺母

為了實現(xiàn)軸向移動的同時推動卡瓦張開錨定和膠筒壓縮密封，設(shè)計的鎖緊螺母(見圖3)采用旋轉(zhuǎn)上扣、軸向移動方式來推動卡瓦錨定和膠筒壓縮密封；坐封過程中可多次對管內(nèi)堵塞器進行驗封，直至滿足當前井內(nèi)壓力下的密封要求，且不會使管內(nèi)堵塞器本身出現(xiàn)過載。坐封載荷可根據(jù)井內(nèi)壓力和地面控制上扣扭矩來精確控制：一方面可以降低以往采用大載荷上提坐封和釋放丟手帶來潛在的拉松連續(xù)管管柱的風險，增加對淺井連續(xù)管速度管柱和完井管柱帶壓封堵作業(yè)的適應(yīng)性；另一方面可降低對管內(nèi)堵塞器自身抗拉強度的要求，有利于管內(nèi)堵塞器進一步小型化，以適應(yīng)直徑更小的連續(xù)管管內(nèi)封堵需要。

圖3 鎖緊螺母結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic structure of locknut

利用相應(yīng)計算工具對鎖緊螺母結(jié)構(gòu)進行強度分析。設(shè)置其材料為42CrMo，設(shè)置其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.280，密度為7 850 kg/m3。在額定工作壓力下，計算得到鎖緊螺母應(yīng)力集中最大值為284 MPa，強度滿足設(shè)計要求(42CrMo屈服強度為850 MPa)。其具體工作中應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 鎖緊螺母受力云圖Fig.4 Cloud chart for stress of locknut

2.2 彈性棘爪

彈性棘爪上部套進送入接頭內(nèi)腔限位，下部殼體開有數(shù)個鏤空的沿周向均布的軸向直槽，軸向直槽兩側(cè)的懸臂殼體下端外表面邊緣均有帶倒角的凸臺。裝配狀態(tài)下，非工作時彈性棘爪下端外表面的凸臺位于鎖緊螺母中部較大的環(huán)形內(nèi)腔中，并可在環(huán)形內(nèi)腔的一定范圍內(nèi)軸向移動；當彈性棘爪受拉時凸臺位置徑向收縮，繼續(xù)增大拉力，凸臺會從鎖緊螺母中部較大的環(huán)形內(nèi)腔中脫出并與鎖緊螺母分離，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于此管內(nèi)堵塞器的丟手載荷與坐封載荷不關(guān)聯(lián)，丟手載荷可根據(jù)需要調(diào)節(jié)至很小，避免了以往采用上提坐封式管內(nèi)堵塞器的丟手載荷必須大于坐封載荷，從而導(dǎo)致坐封載荷過大的情況發(fā)生。此外，按照設(shè)計要求，從彈性棘爪處丟手后，送入接頭和彈性棘爪可隨送入工具一同被取出，并可重復(fù)使用，降低了工具配套成本。

圖5 彈性棘爪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic structure of elastic ratchet

利用相應(yīng)計算工具對彈性棘爪結(jié)構(gòu)進行強度分析。設(shè)置其材料為45號鋼，設(shè)置其彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269，密度為7 890 kg/m3。在額定工作壓力下，計算得到彈性棘爪應(yīng)力集中最大值為185 MPa，強度滿足設(shè)計要求(45號鋼屈服強度為355 MPa)。其具體工作中應(yīng)力分布情況如圖6所示。

圖6 彈性棘爪受力云圖Fig.6 Cloud chart for stress of elastic ratchet

2.3 錨爪

錨爪呈片狀，沿卡瓦座周向均布，如圖7所示。與錨爪配套的卡瓦座楔形面為平面結(jié)構(gòu)，對錨爪進行周向限位。錨爪設(shè)計有摩擦表面，可與連續(xù)管內(nèi)壁通過摩擦力的作用提供反扭矩，以防止連續(xù)管相對旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)管內(nèi)堵塞器坐封方式從常規(guī)的大載荷上提坐封轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)坐封。

圖7 錨爪載面Fig.7 Schematic structure of fluke

利用相應(yīng)計算工具對錨爪結(jié)構(gòu)進行強度分析。設(shè)置材料為60Si2Mn，設(shè)置其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.290，密度為7 740 kg/m3。在額定工作壓力下，計算得到錨爪應(yīng)力集中最大值為642 MPa，強度滿足設(shè)計要求(60Si2Mn屈服強度為1 175 MPa)。其工作中應(yīng)力分布情況如圖8所示。

圖8 錨爪受力分布云圖Fig.8 Cloud chart for stress of fluke

3 性能測試試驗

為驗證方案的可行性，以及堵塞器實際工作參數(shù)與設(shè)計參數(shù)的一致性，對新型堵塞器零部件的性能參數(shù)和整體性能進行測試試驗和評價，試驗臺架如圖9所示。試驗包括以下2個方面：

1—旋轉(zhuǎn)電機；2—固定支架；3—扭力傳感器；4—送入連桿；5—連續(xù)管；6—堵塞器；7—連續(xù)管固定支架；8—泵源圖9 旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器性能測試臺架Fig.9 Bench for performance test of rotary setting internal packer

(1)密封性方面主要測試其與一體化工裝的配套性，以準確獲得其最小坐封扭矩。

(2)丟手性能方面主要測試其丟手位置、丟手載荷與設(shè)計要求的相符性。

3.1 堵塞器最小坐封扭矩測試

利用伸縮液缸將旋轉(zhuǎn)坐封式堵塞器及配套儀器送入連續(xù)管樣管內(nèi)，另一端安裝外卡式連接器，連接器與手壓泵連接。將裝有堵塞器的連續(xù)管固定在連續(xù)管固定支架上，控制送入連桿為堵塞器坐封提供扭矩，同時在連續(xù)管下端實施小排量泵注。隨著作用在堵塞器上的扭矩增大，密封膠筒逐漸被壓縮至完全實現(xiàn)密封，當泵壓突升，記錄此時達到的最大扭矩即為該堵塞器的最小坐封扭矩。測試情況如圖10所示。實際使用時坐封扭矩按照最小坐封扭矩的1.25倍選取。

圖10 最小坐封扭矩測試Fig.10 Minimum setting torque test

3.2 丟手性能測試

測試出最小坐封扭矩后，在拉力試驗機上對成套工具進行拉伸試驗，以測試放置坐封式堵塞器脫節(jié)位置及其丟手載荷。測試中當堵塞器從丟手彈爪處脫開丟手時的載荷約為340 N，此時其他工具及零部件保持完好?？梢姸氯鱽G手方式與設(shè)計一致，丟手載荷適中，滿足設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了證明新設(shè)計的旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器能夠成功解決帶壓封堵作業(yè)的技術(shù)難題，在中石油某典型高含硫油氣井開展了速度管柱帶壓起管作業(yè)。該井為速度管柱生產(chǎn)井，首次采用旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器帶壓封堵，配套專用的投放工裝，進行全流程帶壓起管作業(yè)。作業(yè)中管內(nèi)封堵耗時僅30 min，克服了以往上提坐封式堵塞器過載坐封及無法及時驗封等不足問題，并適應(yīng)含H2S環(huán)境，作業(yè)時間較注入頭封堵連續(xù)管節(jié)約2 h，為主體起管施工節(jié)省了時間，實現(xiàn)了生產(chǎn)提速提效，充分驗證了工藝可行性和封堵工具的可靠性。

5 結(jié) 論

(1)在充分結(jié)合連續(xù)管速度管柱帶壓起管井況、懸掛裝置和連續(xù)管自身特點，以及帶壓起管工藝等要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器。該工具結(jié)構(gòu)簡單可靠，優(yōu)化后有利于小型化開發(fā)，以用于更小直徑的連續(xù)管封堵作業(yè)配套。

(2)對堵塞器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和計算校核，實現(xiàn)了坐封方式從常規(guī)的大載荷上提坐封轉(zhuǎn)變?yōu)槎c旋轉(zhuǎn)坐封，降低以往大載荷上提坐封帶來的可能拉松管柱的風險。使用中可根據(jù)井內(nèi)壓力，調(diào)節(jié)坐封載荷，并適應(yīng)多次驗封需要。坐封過程中基本無滑移，坐封位置更加精確可控；采用彈性棘爪實現(xiàn)安全、高效和可靠丟手，除可減小丟手載荷外，隨送入工具起出的零部件可重復(fù)利用，能夠降低工具配套成本。

(3)通過旋轉(zhuǎn)式坐封管內(nèi)堵塞器的最小坐封扭矩和丟手性能室內(nèi)試驗，驗證了堵塞器的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，丟手方式與設(shè)計一致，密封性能可靠，符合現(xiàn)場施工要求。

(4)開展的高含硫油氣井現(xiàn)場應(yīng)用表明，旋轉(zhuǎn)坐封式管內(nèi)堵塞器很好地滿足了實際使用要求，性能穩(wěn)定可靠，提高了帶壓起管施工的安全性，降低了作業(yè)費用，適應(yīng)當前經(jīng)濟形勢下的低成本開發(fā)需求。