適用于高壓氣井的管柱內封堵工具設計

□ 何莎莎 □ 陳曉軍 □ 米凱夫 □ 李 萌 □ 王洋紳 □ 王興燕

中國石油集團工程技術研究院北京石油機械有限公司 北京 102206

1 設計背景

隨著帶壓作業增多，特別是氣井的帶壓作業需求增多，作業的配套裝備需求也逐漸增多。帶壓作業的關鍵技術是井下壓力控制，帶壓作業裝備井口防噴裝置可以實現油氣管、套管之間環形空間的壓力控制，因此油氣管內腔的壓力控制成為帶壓作業關鍵技術中的關鍵。目前，國內帶壓作業裝備生產企業主要針對油水井帶壓作業［1-5］，裝備性能還無法完全滿足氣井帶壓作業的需求，在管柱內封堵工具方面幾乎完全依賴進口。為了打破對國外技術的依賴，筆者設計了一種穩定可靠、能承受70 MPa高壓的管柱內封堵工具。

2 結構設計

管柱內封堵工具結構如圖1所示，主要由工作筒、堵塞器本體和P型桿組件三部分組成。工作筒上下為標準油管螺紋，內有與卡瓦配合的鍵槽。堵塞器本體由閥帽、密封圈、襯管、卡瓦套、卡瓦、片簧、滑套和上接頭組成。堵塞器本體的閥帽有四個泄壓孔，下放時能保持上下壓力平衡，保證卡瓦在預定位置張開錨定在工作筒內，堵塞器本體實物如圖2所示。P型桿組件由壓帽、密封圈和P型桿組成，P型桿組件實物如圖3所示。

密封性能主要取決于工具的密封結構。常規的內封堵工具只能達到35 MPa的密封能力，抗壓能力弱，對氣井的效果有限，易在作業過程中發生泄漏［6］。筆者針對內封堵工具的密封性要求，研制了多級組合密封圈，采用60°和90°V形密封圈配合使用。考慮到井內上下都有壓力，設計為三個一組或四個一組的對稱分布，V形密封圈的兩端和中間采用硬度較高的塑料制品進行支撐分隔，同時可以增強密封圈的抗壓能力。

3 工作原理

▲圖1 管柱內封堵工具結構

應用管柱內封堵工具時，預先將工作筒連接在油管上，下放到井內的預定位置。將堵塞器本體與下入工具連接，然后再連接工具串一起下井［7］。堵塞器本體的卡瓦有三種狀態，如圖4所示。在下井過程中，卡瓦及其下入工具處于選擇狀態。當工具串下放并穿過要投放的工作筒后，上提工具串到工作筒上部，在此過程中，下入工具及卡瓦由選擇狀態變為非選擇狀態，卡瓦彈出，此時繼續下放工具串，卡瓦可坐封在工作筒內。當上接頭和滑套下放到底時，取出下入工具，卡瓦處于鎖定狀態。再用下入工具將P型桿組件下放至堵塞器內，P型桿組件的密封圈封堵堵塞器本體閥帽上的四個泄壓孔，以隔絕井下壓力。作業完成，打撈內封堵工具時，下放配套打撈工具，打撈爪卡住P型桿上端打撈頸部位，上提取出P型桿組件。更換打撈頭再次下放打撈工具，打撈頭與上接頭的打撈處卡緊，震擊上接頭，震松卡瓦，上提上接頭，卡瓦從鎖定位置被彈出，直至完全縮入，繼續上提使堵塞器本體與工作筒脫離。

▲圖2 堵塞器本體實物

▲圖3 P型桿組件實物

4 主要技術參數

管柱內封堵工具的主要技術參數見表1。

表1 管柱內封堵工具技術參數

與常規內封堵工具相比，管柱內封堵工具結構和作業方式一致，借助常規鋼絲作業的工具就能實現下放和打撈。基于高壓氣井的帶壓作業，管柱內封堵工具中密封圈結構的設計及其材質的選擇具有決定意義，是實現帶壓作業的關鍵。此外，帶壓作業時常伴有高溫、腐蝕介質等惡劣情況。

5 關鍵零部件分析

卡瓦主要用于定位、防止堵塞器脫落和承載。卡瓦在片簧和滑套的配合作用力下，可以實現徑向收縮和彈出［8-10］。筆者設計的管柱內封堵工具下放時，卡瓦處于收縮狀態。當卡瓦與工作筒內鍵槽完成配合，并向下震擊推動滑套時，片簧驅動卡瓦徑向擴張，同時滑套外齒進入卡瓦內齒下部與其緊密配合，防止卡瓦松動。卡瓦外錐面與工作筒內鍵槽限位處卡住，實現鎖定。應用ANSYS軟件對卡瓦和相關接觸零件進行70 MPa應力下的有限元分析，結果如圖5、圖6所示。

通過有限元分析可知，在最高工作壓力70 MPa下，卡瓦、工作筒、襯管和滑套選擇屈服強度高于分析結果的材料，就是安全可靠的。

6 氣密封試驗

為了測試工具的性能，將堵塞器本體坐封在工作筒內部，推動滑套，成功使卡瓦彈出，并與工作筒內的鍵槽配合。將P型桿插入堵塞器本體內部，將裝好的工作筒兩端裝上試驗接頭，一端與氣密封檢測系統相連，另一端連接壓力表，觀察試驗時是否有壓力泄漏，如圖7、圖8所示。

▲圖4 卡瓦狀態

▲圖5 卡瓦相關接觸零件應力分布

▲圖6 卡瓦接觸應力分布

經過多次反復試驗，管柱內封堵工具能在最大密封壓力70MPa下可靠密封，未見泄漏和降壓現象。

試驗后，將P型桿拔出，外拉上接頭將滑套拉出，卡瓦在片簧作用下順利回彈，繼續外拉，成功將堵塞器本體拉出工作筒。

7 結論

使用通用鋼絲工具即可將所設計的管柱內封堵工具下放到位，能輕松實現堵塞器的開啟與關閉，操作簡單。

管柱內封堵工具依靠滑套的移動驅動片簧，實現卡瓦的三種狀態，動作準確、可靠。

管柱內封堵工具中的密封結構所優選的密封圈，能實現70 MPa壓力下的密封性，可長時間封堵不泄漏。

▲圖7 氣密封試驗原理

▲圖8 氣密封試驗現場

當然，仍需要進行現場應用試驗，以進一步驗證管柱內封堵工具的實際工作效果。