新型臨時封井工具研制與應(yīng)用

李 勇 董海寬 劉國振 張新平 華澤君 盧 艷 郭龍龍

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 3. 西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

0 引 言

海上油氣井老舊采油樹改造、更換和維修時，需要實施臨時封井作業(yè)[1-2]，而陸上油氣井常用的封井器[3]、可鉆橋塞注水泥[4]、水泥承留器[5]等封井措施無法滿足海上油氣井的臨時封井要求。目前，海上油氣井的臨時封井方法包括套管封井帽封井[6]、RTTS封隔器+風(fēng)暴閥封井。其中，套管封井帽封井的結(jié)構(gòu)比較簡單，但存在較大的安全、環(huán)保風(fēng)險，例如套管密封盤根采用擠壓式密封，套管內(nèi)表面粗糙度、套管變形等制約了密封效果[7-8]。采用RTTS封隔器+風(fēng)暴閥封井時，需要上提、旋轉(zhuǎn)、下放管柱，利用管柱自身重力使封隔器坐封，為了保證封隔器能坐封并獲得良好的密封性能，對封井管柱的最小自重有要求，導(dǎo)致封井管柱長度較大，作業(yè)效率低、成本高[9]。因此，亟需研發(fā)新的封井工具，實現(xiàn)海上油氣井高效、安全的臨時封井作業(yè)[10-14]。

針對海上油氣井水下設(shè)備改造、更換作業(yè)的臨時封井特點，筆者研制了新型臨時封井工具。該工具采用液壓方式進(jìn)行坐封，利用液壓或機(jī)械方式脫手，上提管柱實現(xiàn)解封、回收。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該封井工具可以有效封閉油管、套管環(huán)空，坐封、解封、回收安全可靠，其克服了傳統(tǒng)臨時封井方法受限于坐封井深、存在井控和環(huán)保風(fēng)險的不足。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

該封井工具主要由液壓坐封封隔器+可開關(guān)球閥、封隔器坐封工具+球閥開關(guān)工具、回收工具3部分構(gòu)成，如圖1和圖2所示。其中，液壓坐封封隔器+可開關(guān)球閥主要由上接頭、連接套、坐封鎖定機(jī)構(gòu)、膠筒、卡瓦、密封筒、球閥等零部件構(gòu)成；封隔器坐封工具+球閥開關(guān)工具主要由坐封活塞、坐封套、脫手活塞、坐封球座、連接桿、密封單元、球閥開關(guān)工具等構(gòu)成；回收工具主要由上接頭、活動座、活動支撐桿、打撈桿、彈簧、解封凸塊、緊急脫手機(jī)構(gòu)、連接桿、密封單元、球閥開關(guān)工具等構(gòu)成。工作時，液壓坐封封隔器與封隔器坐封工具配合使用，實現(xiàn)坐封、封井；兩者丟手、脫離后，留液壓坐封封隔器在井筒內(nèi)封井。重啟井時，回收工具與液壓坐封封隔器配合使用，驅(qū)動液壓坐封封隔器解封、并將其攜帶至井口。以?244.475 mm(9in )套管配套的臨時封井工具為例，對應(yīng)液壓坐封封隔器+可開關(guān)球閥總長度為4.5 m、最大外徑214 mm、壓力等級35 MPa、溫度等級180 ℃。

1—上接頭；2—連接套；3—坐封鎖定機(jī)構(gòu)；4—膠筒；5—卡瓦；6—密封筒；7—球閥；8—球閥開關(guān)工具；9—密封單元；10—連接桿；11—坐封球座；12—脫手活塞；13—坐封套；14—坐封活塞。

1—上接頭；2—活動座；3—活動支撐桿；4—打撈桿；5—彈簧；6—解封凸塊；7—緊急脫手機(jī)構(gòu)；8—連接桿；9—密封筒；10—球閥開關(guān)工具。

1.2 工作原理

1.2.1 坐封封隔器、驗封及脫手

當(dāng)臨時封井時，用鉆桿或油管將臨時封井作業(yè)管柱送入設(shè)計深度，投空心坐封球至球座位置[15]，向鉆桿內(nèi)泵送高壓液體，高壓液體推動右側(cè)活塞向左運(yùn)動，剪斷坐封銷釘，坐封鎖定機(jī)構(gòu)釋放。同時，坐封套推動封隔器壓環(huán)，相對于中心管的螺紋下行，從而坐封封隔機(jī)構(gòu)和錨定機(jī)構(gòu)。封隔器上的坐封鎖定機(jī)構(gòu)隨封隔機(jī)構(gòu)和錨定機(jī)構(gòu)的坐封，將坐封力鎖定，使封隔器達(dá)到完全坐封。向套管與鉆桿環(huán)空泵送高壓液體，驗證封隔器膠筒的密封性能。

封隔器坐封后，封隔器坐封工具脫手包括2種方式：一種是泵壓持續(xù)增加，液體壓力作用于脫手活塞左側(cè)，驅(qū)動脫手活塞剪切脫手銷釘，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，剪切銷釘被剪斷，脫手活塞撞擊支撐環(huán)，并推動其向右運(yùn)動，致使支撐環(huán)脫離左旋連接螺紋內(nèi)表面，上提服務(wù)管柱，左旋連接螺紋向內(nèi)回縮，實現(xiàn)脫手；另一種方式是正向旋轉(zhuǎn)服務(wù)管柱，驅(qū)動左旋螺紋退出嚙合，實現(xiàn)機(jī)械脫手。

1.2.2 驗證球閥密封性能

脫手完成后，上提管柱，球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)凸臺與開關(guān)工具凹槽配合，帶動球閥關(guān)閉機(jī)構(gòu)上行、關(guān)閉球閥。向套管與鉆桿的環(huán)空內(nèi)泵送壓力液，即可驗證球閥的密封性能，如圖3所示。

圖3 脫手后密封性能測試Fig.3 Sealing performance test after removal

1.2.3 回收封井工具

當(dāng)封井結(jié)束后，通過鉆桿將回收工具送到臨時封井工具坐封位置。同時，回收工具下部的球閥開關(guān)工具驅(qū)動球閥打開，以平衡環(huán)空與地層壓力。待井筒壓力平衡后，上提回收工具，回收工具的分瓣解封凸塊上行，帶動解封環(huán)上行，實現(xiàn)封隔器解封。解封后，上提管柱剪斷緊急脫手機(jī)構(gòu)，左旋分瓣螺紋與封隔器上的螺紋嚙合；繼續(xù)上提管柱，左旋分瓣螺紋下的活動支撐桿在打撈桿上定位，通過左旋分瓣螺紋進(jìn)行管柱的打撈回收工作。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 防提前坐封裝置

封隔器坐封工具和球閥開關(guān)串聯(lián)在一起，通過坐封工具左旋連接螺紋與封隔器螺紋連接，防提前坐封機(jī)構(gòu)與鎖定凹槽配合，實現(xiàn)防止封隔器提前坐封的功能。解決了傳統(tǒng)的RTTS封隔器下入過程中封隔器提前坐封的難題。

1.3.2 正轉(zhuǎn)和液壓脫手裝置

正常情況下，通過管柱內(nèi)正加壓，坐封工具即可實現(xiàn)脫手。若出現(xiàn)意外情況，加壓不能脫手時，正轉(zhuǎn)管柱，驅(qū)動卸螺紋，實現(xiàn)坐封工具的脫手。

1.3.3 解封安全機(jī)構(gòu)

通過回收工具的凸塊，帶動解封環(huán)上行。解封安全機(jī)構(gòu)位置如圖4所示。解除封隔器內(nèi)部和外連接套的鎖定，使封隔器中心管上行，封隔器膠筒、卡瓦解封。

圖4 解封安全機(jī)構(gòu)Fig.4 Unsealing security mechanism

1.3.4 沉砂收集裝置

沉砂收集裝置如圖5所示?？砷_關(guān)球閥的上部設(shè)計有沉砂收集裝置，該裝置兩端設(shè)有密封膠圈，可防止砂子進(jìn)入球閥，以確保回收工具下部的球閥開關(guān)工具能夠?qū)⑶蜷y順利打開，從而保證解封之前能夠平衡地層壓力。

圖5 沉砂收集裝置Fig.5 Sand collection device

2 室內(nèi)測試

為驗證臨時封井工具的可行性、可靠性，確定封隔器坐封力、脫手壓力，在天津市濱海新區(qū)中海油服工程技術(shù)作業(yè)中心車間庫房進(jìn)行了室內(nèi)測試，如圖6所示。具體測試流程為：①液壓坐封封隔器坐封力測試；②坐封工具脫手測試；③坐封完成，將坐封工具脫手后，進(jìn)行封隔器正反向耐壓測試。

圖6 試驗準(zhǔn)備過程Fig.6 Test preparation process

試驗不同階段測得的壓力值，如表1所示。坐封、密封測試階段的壓力降滿足標(biāo)準(zhǔn)。試驗結(jié)果表明：液壓坐封封隔器坐封力不小于18 MPa；正加壓25 MPa，即可脫手坐封工具；封隔器坐封后，可承受正、反向35 MPa的壓力，表明此工具有良好的密封性能。

表1 試驗測試數(shù)據(jù)Table 1 Table of experimental testing data

3 現(xiàn)場應(yīng)用

某海上氣井于1986年投產(chǎn)，于2019年10月檢泵作業(yè)結(jié)束后生產(chǎn)。隨著持續(xù)生產(chǎn)，井下壓力顯著下降，產(chǎn)量逐漸減少，長期處于低產(chǎn)狀態(tài)。2023年4月對該井進(jìn)行換層作業(yè)后，進(jìn)行臨時封井，并更換新的油管四通。

更換完油管四通后，組下回收管柱，回收臨時封井工具?；厥展苤M合為封隔器回收工具+?87.5 mm (3in)鉆桿。下鉆到位，測上提下放；繼續(xù)下放管柱，到位后下壓5×104N，上提管柱至10×104N，確認(rèn)回接成功；關(guān)閉萬能防噴器，繼續(xù)上提管柱至24×104N，解封液壓封隔器。起鉆到井口，現(xiàn)場檢查臨時封井工具外觀良好。

4 結(jié) 論

(1)研制的新型臨時封井工具，采用油管或鉆桿均可實現(xiàn)封井管柱的坐封、脫手和回收，不需要配重油管和鉆桿，管柱整體較短。正常施工中通過管柱泵送壓力業(yè)實現(xiàn)封井和脫手，不需要旋轉(zhuǎn)管柱。

(2)臨時封井工具坐封后實現(xiàn)雙向錨定和密封，具有坐封力鎖定功能，在未解封情況下，坐封力保持恒定，直至封井工具解封，坐封力解除。

(3)臨時封井工具坐封位置不受井筒長度影響，工具下端可連接油管延伸至井下。