抽油機井防噴錨定一體化工藝技術研究

梁猛（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

2015年，新環保法的頒布實施，給油井清潔作業生產提出了更高的要求。針對抽油機井作業防噴技術問題，目前在用的主要防噴工具為654-ⅢD滑套式防噴開關[1]，由于井液腐蝕作用及開關滑套處結垢情況，導致作業時開關關閉動作失效，現場應用效果不理想。為此，開展抽油機井防噴錨定一體化工藝技術研究，即防噴管柱與生產管柱同步下入井內，并完成防噴工藝管柱的錨定、密封膠筒的坐封及與生產管柱的分離。

1 結構與工作原理

抽油機井防噴錨定一體化裝置主要由三部分構成：丟手封隔裝置、支撐裝置和防噴浮子開關。丟手封隔裝置、支撐裝置、防噴浮子開關依次連接泵下，將防噴浮子開關捅桿上端外螺紋接在丟手封隔裝置下端內螺紋處，將支撐裝置連接在丟手封隔裝置下端外管螺紋處，將防噴開關裝置接在支撐裝置下端。工具連接示意圖如圖1所示。

下井應用時，油管、抽油泵、防噴錨定一體化裝置、尾管依次連接。防噴錨定一體化裝置與生產管柱同時下井，與654-ⅢD滑套式防噴開關相比，減少一趟丟手管柱及協調泵車打壓釋放工序。管柱連接示意圖如圖2所示。

圖1 工具連接示意圖

圖2 管柱連接示意圖

工作原理：工具下入井內預設深度，通過上提下放生產管柱使支撐裝置坐封，再下壓管柱使丟手封隔裝置膠筒撐開，并完成丟手動作，實現生產管柱與防噴管柱分開；上提生產管柱，帶動捅桿機構上行，防噴浮子開關關閉，即實現防噴目的。

圖3 丟手封隔裝置結構示意圖

圖4 管柱連接示意圖

2 工具結構設計

2.1 丟手封隔裝置結構

丟手封隔裝置即在Y211-114封隔器[2]基礎上進行改進，主要增加丟手機構。其結構示意圖如圖3所示。

坐封動作：通過下壓生產管柱，連接接頭帶動打撈接頭、釋放套、連接套、卡瓦掛下行，剪斷釋放銷釘，膠筒壓縮、卡瓦張開，此時卡簧與連接套鎖死，完成裝置釋放。

解封動作：將分瓣撈矛下到工具位置處，撈矛撈到打撈接頭后，上提管柱，打撈接頭帶動釋放套、連接套、卡瓦掛上行，剪斷卡簧座上解封銷釘，卡瓦、膠筒回縮，完成解封。

丟手動作：采用爪型結構設計，在支撐裝置錨定后，釋放套解除上中心管爪型件的鎖定，此時上提油管，帶動連接接頭與連接桿上行，連接桿臺階處經過上中心管爪型處并撐開爪，防噴錨定裝置部分被丟開。

2.2 支撐裝置結構

支撐裝置即在螺桿泵專用支撐卡瓦[3]基礎上進行改進，坐封行程由350mm提高到500mm，防止下管柱過程中提前坐封，導致丟手封隔裝置在下管柱慣性力作用下提前坐封。結構示意圖如圖4所示。

2.3 防噴開關結構

防噴開關采用浮子開關[4]，即在捅桿的下壓力作用下實現打開功能，捅桿上提后，浮子在井液浮力及井液噴勢作業下上浮關閉，實現防噴目的。防噴浮子開關結構示意圖如圖5所示。

圖5 防噴開關裝置結構示意圖

防噴浮子開關有以下技術優勢：

1）結構簡單，不易損壞，且打開關閉動作易實現。浮子開關的主要部件為浮子閥，打開力為捅桿壓力，關閉作用力為井液浮力。捅桿下入開關工作筒內即實現打開，捅桿提出開關工作筒即實現關閉。

2）捅桿通用性強。捅桿的作用是在油井正常生產時下壓浮子，防止浮子閥上浮關閉，因此在結構和尺寸上無特殊要求，只要長度和直徑滿足要求即可。根據工具結構尺寸，捅桿長度在2500～3500mm、直徑在30～50mm范圍內均可滿足要求。

3 工具參數計算

3.1 丟手封隔裝置坐封力設計

丟手封隔裝置坐封時，需下壓油管剪斷解封銷釘[5]，計算公式如下：

式中：G——油管重力，N；

F浮——油管浮力，N；

Q坐——丟手封隔器坐封力，N；

F壓——下壓油管壓力，N。

泵掛深度按1000m、井液密度按1.0g/cm3計算。若全井應用外徑φ89mm油管，當F壓為0時，計算Q坐=112.25kN，設計Q坐為160kN。

根據銷釘剪切力計算的公式如下：

式中：d——剪斷銷釘直徑，mm；

Q坐——總剪切力，N；

n——銷釘個數；

τb——材料抗剪強度，N/mm。

設計應用抗剪強度τb=600N/mm2銷釘，銷釘個數6個，求得銷釘直徑d≥φ6.9mm。

3.2 丟手封隔器解封力設計

封隔器解封力[6]通常設計60～70kN，銷釘個數n=4，應用同樣抗剪強度銷釘，求得解封銷釘最小直徑d=5.5mm。

4 現場應用及其效果

1）在抽油機井上應用防噴錨定一體化工具35井次，現場試驗防噴成功率100%，平均單井釋放壓力83.3kN，二次作業井2口，防噴成功率100%。

2）抽油機井防噴錨定一體化工具單套成本1.46萬元，應用泥漿、無固相壓井液壓井單井施工費用增加1.3萬元，延長施工周期1d；因此，一次作業即可收回成本，同時實現了清潔作業生產，減少了作業躺井時間。

5 結論與認識

1）抽油機井防噴錨定一體化裝置隨生產管柱一次下入井內，與目前在用654-ⅢD滑套式防噴開關相比，減少一趟丟手打壓釋放管柱，縮短作業周期1d，并節約了生產成本。

2）該裝置在成熟井下工具基礎上進行改進并組合應用，工具穩定性好。

3）防噴開關采用浮子開關，結構簡單，打開力為捅桿下壓力，關閉力為井液浮力，打開關閉動作易實現。

4）與654-ⅢD滑套式防噴開關相比，對捅桿無特殊結構尺寸要求，通用性強，且不易損壞。

[1]萬仁溥.采油工程手冊：下冊[M].北京：石油工業出版社，2000：255-258.

[2]謝建華，劉崇江，趙驪川，等.橋塞壓裂工藝技術[J].大慶油田地質與開發，2004，23（4）：38-39.

[3]隋春彥，馬來增，孫衛娟，等.自驗封可洗井封隔器的研制與現場試驗[J].石油機械，2002，30（8）：35-36.

[4]周全興.鉆采工具手冊：下冊[M].丹東：科學出版社，2000：228-230.

[5]范家齊，曲憲剛，楊曉翔.非線性有限元混合法分析油井封隔器膠筒[J].石油學報，1991，12（1）：129-138.

[6]岳澄，王燕群，邵立國，等.高溫封隔器膠筒與套管接觸壓力的實驗研究[J].實驗力學，1999（3）：390-394.