接箍座落式井下節流裝置

肖述琴 衛亞明 楊旭東 劉雙全 陳勇

1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

井下節流技術是保障蘇里格氣田“中低壓集氣”模式平穩正常運行的關鍵技術［1-2］。隨著氣田的深入開發，氣井產量逐漸下降，低產氣井普遍出現積液，為了充分發揮氣井產能，實際生產中需要對井筒內的井下節流器進行打撈。目前常用的井下節流器主要由帶齒的卡瓦卡定、“V”型組合膠筒密封，存在打撈時解卡工藝復雜、部分卡瓦咬死油管難以解卡、打撈張力大等問題［3-8］。為了保障氣井中后期排水采氣工藝的實施，研發了接箍座落式井下節流裝置。該裝置依靠卡爪伸入油管接箍槽間隙定位，缸體內外壓力差推動膠筒變形密封，高強度耐磨配產嘴節流，打撈時卡爪收縮解卡，膠筒回縮解封，不下滑，鋼絲作業可一趟完成打撈，解決了井下節流器難打撈的難題。現場應用結果表明，接箍座落式井下節流裝置打撈工藝簡單，打撈成功率高，大大降低了人力物力消耗，降低了安全風險，有利于生產管理。

1 技術分析

1.1 結構

接箍座落式井下節流裝置由錨定機構、密封結構和解封機構組成，具體結構如圖1所示。

1.2 工作原理

接箍座落式井下節流裝置的工作步驟如下。

(1)接箍座落式井下節流裝置連接試井鋼絲工具串，以小于50 m/min的速度下入到井筒設計深度以上100 m位置時，加快速度下放至設計深度后剎車，裝置的丟手剪釘剪斷，座落爪從丟手管中釋放，卡爪進入油管接箍間隙，打撈頸向下移動撐開卡爪完成卡定；上提鋼絲，芯桿跟隨上行，坐封銷釘剪斷，坐封鎖爪解鎖，活塞套受井筒內高壓擠壓密封筒變形完成密封，起出投送工具串，中心氣流通道暢通，完成裝置投放，如圖2所示。

圖2 接箍座落式井下節流裝置坐封狀態Fig.2 Setting state of collar seating type downhole throttling device

(2)打撈時通過鋼絲連接內撈工具，抓住打撈頸后震擊，打撈頸向上移動后卡爪失去支撐，裝置解卡；繼續上擊剪斷解封銷釘，解封爪解鎖上提打撈頸依次聯動座落爪套、解封軸、解封套、連接套、擋環上移，密封筒上端不受力而恢復彈性形變，密封失效后上提鋼絲，容易撈出，如圖3所示。

圖3 接箍座落式井下節流裝置解卡狀態Fig.3 Unfreezing state of collar seating type downhole throttling device

1.3 技術特點

(1)錨定機構設計。針對現用卡瓦結構打撈出現的難解卡、卡瓦卡死等問題，設計了無齒小卡爪錨定機構，充分利用油管接箍槽間隙定位，將解卡方式由下擊轉化為上擊，避免解卡時工具滑落井底，降低了解卡難度，實現鋼絲一趟作業完成打撈。

(2)密封結構優化設計。針對前期節流器傘型膠筒密封面積過大，錐體支撐擴充膠筒導致打撈張力增大的情況，采用單個矩形膠筒設計，充分利用氣井高壓壓縮矩形膠筒實現密封，同時考慮密封過盈，缸體內采用限位設計，降低了打撈阻力。

(3)解封機構設計。針對節流器因密封膠筒無法回縮導致打撈困難的問題，設計了解封膠筒回縮機構，打撈時上擊剪短解封銷釘，解封軸、解封套、連接筒、擋環等部件隨座落爪套一起上移，密封筒軸向受力解除而回縮，降低了打撈張力，提高了打撈可靠性。裝置中密封機構、解封機構在單膠筒防下滑節流器基礎上優化［8］，主要對卡爪錨定機構及剪銷進行優化設計。

2 卡爪錨定機構模擬分析

卡爪錨定機構的結構對節流裝置的坐封、解卡至關重要，利用有限元分析方法進行結構優化。

2.1 受力分析及邊界條件確定

錨定機構整體所受的載荷Ft，由節流器上下游壓差作用產生為

式中，Ft為錨定機構整體所受載荷，kN；Rn為油管的內半徑，mm；Δp為節流器上下游壓差，MPa。

其他邊界條件：壓力載荷為芯軸錐體底面所受壓力(施加于芯軸下表面)，25 MPa；計算軸向載荷為75 kN；溫度條件根據工況條件確定，卡定系統溫度條件為150 ℃；在給定溫度條件下取金屬接觸面摩擦系數為0.15，且隨溫度變化不大；材料屬性為金屬材質的彈性模量和強度屬性，隨溫度變化很小，具體參數見表1。

表1 有限元模型材料屬性參數Table 1 Material property parameters of finite element model

2.2 結構參數優化

裝置初始設計參數為卡爪厚度2.5 mm、長度100 mm、接觸面角度45°，置于?73 mm油管中。根據初始結構在工況下應力分析結果(圖4)，卡爪與接箍的最大接觸應力為601 MPa，超過材料屈服強度極限600 MPa，未達到塑性破壞強度極限689 MPa，屬于彈塑性接觸，因此需要優化降低最大接觸應力。

圖4 卡爪與接箍模型應力分析Fig.4 Stress analysis of claw and collar model

通過改變卡爪厚度、長度和接觸面錐角等參數分別進行建模和應力分析，結果表明卡爪厚度和卡爪長度對卡爪與油管接箍的接觸應力影響很小，接觸面錐角對接觸應力影響敏感，隨著接觸面錐角增大，卡爪與接箍的接觸應力呈現上升趨勢，當接觸面錐角大于60°時，最大應力達到屈服強度極限，當接觸面錐角小于30°時，最大應力變化趨勢減小?？紤]井筒腐蝕因素，卡爪材質采用42CrMo，采用厚度、長度、接觸面錐角3個因素進行正交實驗設計，得出最佳設計參數為厚度4.5 mm、長度115 mm、角度 30°。

3 剪釘的設計

為了使裝置投放、坐封和打撈順利，對丟手剪釘、坐封銷釘、解封銷釘進行優化設計。經優化，丟手剪釘采用2個?2 mm銅銷，通過控制鋼絲速度方式剪斷；坐封銷釘采用2個?3 mm銅銷，通過下震擊方式剪斷；解封銷釘采用2個?3.5 mm鋼銷，通過上震擊方式剪斷。按剪切強度分別計算這3組剪銷剪斷所需作用力分別1.2 kN、3.0 kN、5.0 kN，滿足鋼絲作業要求。

4 室內評價實驗

根據優化參數完成裝置加工，如圖5所示。采用實心嘴代替配產嘴在模擬井內進行投放、打撈實驗。4套實驗裝置均一次投放成功，在35 MPa，120 ℃下保壓8 h密封無滲漏，打撈時平均上擊次數為6次，最大瞬時拉力為5.2 kN解封銷釘被剪斷，打撈后膠筒能夠回縮。

圖5 接箍座落式井下節流裝置實物照片Fig.5 Picture of collar seating type downhole throttling device

5 現場應用

接箍座落式井下節流裝置在長慶氣田應用38口井，坐封容易、密封正常；生產一段時間后打撈10口井，打撈成功率100%，且打撈最大拉力小于4 kN，平均用時40 min左右，打撈優勢明顯，解決了常用節流器難打撈的問題，保障了氣井中后期排水采氣工藝的順利實施。

以蘇A井為例說明該裝置現場應用情況。首先根據該氣井配產1.5×104m3/d選擇?1.8 mm配產嘴組裝裝置。隨后連接工具串，以50 m/min速度下深至1 400 m后，提速至160 m/min，下深至1 495 m后剎車，丟手銷釘剪斷，緩慢下放至1 505 m張力減小，裝置坐封于1 505 m，剪斷坐封銷釘，投放成功。開井，油壓由25 MPa降低至1.76 MPa，氣量1.56×104m3/d，氣井生產正常。生產457 d后，由于產量降低，井筒積液，需打撈節流裝置后實施排水采氣工藝。采用專用打撈工具抓住裝置后，向上震擊9次解卡成功，鋼絲拉力一直在1.8 kN至3.2 kN之間波動，用時38 min，打撈成功。

6 結論

(1)對常規卡瓦式節流器的錨定機構、密封機構、解封機構進行優化設計，成功研發了接箍座落式井下節流裝置，該裝置依靠卡爪卡于油管接箍槽間隙定位，改變了常用節流器卡瓦錨定的定位方式。

(2)卡爪錨定機構、膠筒回縮解封機構，解決了卡瓦式節流器難解卡、難解封、上提阻力大等問題。該裝置打撈時打撈工具與其對接卡爪收縮解卡，鋼絲作業一趟完成打撈，解決了卡瓦式節流器先解卡再打撈的工藝復雜問題。

(3)接箍座落式井下節流裝置不僅打撈工藝簡單且打撈成功率高，大大降低了人力物力消耗，降低了安全風險，有利于生產管理，應用前景廣闊。