帶壓作業可通過式堵塞器設計與試驗

唐 庚， 雷清龍， 洪玉奎， 李 斌， 董亮亮， 張 文， 賴 寧， 王梓齊

(1中石油西南油氣田公司工程技術研究院 2西南石油大學 3四川圣諾油氣工程技術服務有限公司 4中石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司)

傳統氣井起下作業時，需利用一定密度的液體平衡地層高壓流體，達到防止井涌、井噴的目的[1]。但壓井作業不僅修井周期長，還會造成地層損害，污染產層[2]。為保證油氣資源可持續發展、降低生產成本、提高油氣生產效率的戰略發展要求，帶壓作業由此產生并取得飛速發展。特別是在我國的西南油氣田、長慶油田、中石化涪陵頁巖氣等油氣田均得到了廣泛推廣和應用[3-4]。

井下壓力控制作為帶壓作業的關鍵技術，包括油套環空壓力控制和起下管柱作業壓力控制兩部分[5-6]。目前，我國帶壓作業裝備在油水中應用成熟，但在氣井領域中還亟需發展[7-10]。

氣井不壓井起管柱作業時，一般通過繩索作業投放堵塞器以控制油管內壓力[11-13]。但針對一些大斜度井、水平井，繩索作業投放堵塞器時不能一次性投入目標位置。若采用上大下小逐級封堵，后下入的堵塞器座放短節外徑將不斷減小，嚴重影響氣井的后續開發。

因此，為解決以上問題，本文提出了一種可通過式堵塞器，以應對油管多次投放堵塞器的需求。同時，對該工具材料進行選擇，以滿足堵塞工具強度要求。為驗證工具可行性，對可通過式堵塞器的可通過性、可坐封性以及密封性進行了室內試驗。

一、可通過式堵塞器設計

1. 設計參數

針對斜井或水平井不壓井作業，鋼絲下堵塞器過程中受井斜影響，不能直接下入底部。因此帶壓起管柱作業的整個過程至少需要下入兩次及以上堵塞器，而第二次下堵塞器時必須通過第一個堵塞器內筒。目前，四川盆地不壓井作業使用的油管大部分均為?73 mm油管，因此，研制了?73 mm可通過式堵塞器,堵塞器設計參數如表1。

表1 可通過式堵塞器設計參數

2. 可通過式堵塞器結構

根據固定式堵塞器的基本結構，設計了可通過式堵塞器結構，如圖1。該堵塞器的的作業過程為：當下入的可通過式堵塞器到達目標座放短節時，上提堵塞器使在卡瓦上預設的溝槽與座放短節上的臺階配合，觸動卡瓦使其處于半張開狀態。然后再次下放堵塞器，半開狀態的卡瓦會與座放短節配合，完成堵塞。若堵塞器未下入到目標座放短節，則不需要提上作業，直到到達目標位置時方才上提堵塞器，完成井筒堵塞作業。

圖1 可通過式堵塞器結構示意圖

3. 材料選擇

3.1 堵塞器材質選擇

帶壓作業堵塞器通常需要承受較大的壓力，同時氣井中含硫化氫等腐蝕介質,因此，為滿足堵塞器強度要求，堵塞器本體采用高強度鋼，同時還應具備抗腐蝕能力。

3.2 密封件選擇

帶壓作業最重要的部分就是井筒內的壓力控制。堵塞器一旦發生密封失效，井底壓力上竄，造成井漏或井噴事故，嚴重威脅井筒安全。因此，堵塞器應選用至少能承受70 MPa壓力的密封組件，以保證帶壓作業起下管柱的安全。經過篩選，選用“V”型高硬度丁晴橡膠與聚四氟乙烯組合密封件。

二、強度校核

當堵塞器成功下入井底并完成坐封后，堵塞器兩端將形成明顯壓差，該壓差完全作用堵塞器。因此需對堵塞器進行強度分析，驗證堵塞器坐封性能。

堵塞器在井下壓力所產生的作用力通過卡瓦牙形成兩向分力：矢量向上對油管的上頂力；橫向對堵塞器卡瓦牙本體的擠壓力。

1. 坐封后上頂力及擠壓力計算

1.1 實際上頂力F1計算

(1)

式中：s—堵塞器密封端面面積，m2;

α—堵塞器工具所產生的分力角度，15°；

Δp—坐封壓差，30 MPa；

d—坐封密封面直徑，58 mm。

1.2 擠壓力F2計算

(2)

2. 卡瓦牙強度計算

2.1 抗剪強度分析

依據第三強度理論，即最大剪應力理論：

(3)

式中：[σ]—抗拉或抗壓許用應力，MPa；σs—材料屈服點，MPa；K2—屈服點安全系數。

卡瓦牙材料選擇優質合金鋼42 GrMo，材料屈服點為1 100 MPa，考慮安全系數取2，可得許用應力為550 MPa。

卡瓦牙有效面積為：長×寬=32×25=800 mm2，可得單片卡瓦牙剪切強度為：800×550=440 kN。該工具設計卡瓦牙數量為2片，所以總抗剪切強度為880 kN。若取堵塞器系統安全系數為3，得到實際卡瓦牙剪切強度為880/3=293 kN，遠大于座封壓差所產生的76.6 kN剪切力。

2.2 抗擠強度分析

因卡瓦對堵塞器本體的作用面積為800 mm2，則卡瓦對堵塞器本體產生的壓應力為25.63 MPa。而堵塞器本體最小抗擠強度Pc為:

(4)

式中：Ya—平均屈服極限，632.8 MPa；D—本體外徑，40 mm；δ—本體厚度,5 mm。

可見，堵塞器卡瓦牙對本體產生的擠壓力遠小于的抗擠強度，卡瓦牙本體滿足強度要求。

三、可行性實驗驗證

1. 密封強度試驗

為驗證自主研發的可通過式堵塞器的密封性，首先對堵塞器密封性進行分析。如表2所示，給出了兩組試驗結果，試驗壓力分別是8 MPa和18 MPa。但試驗結果發現兩次試驗均不滿足要求，工具未能形成良好密封。查找原因后發現，“O”型密封處存在問題，密封座與堵頭座“O”型密封配合段長度太短。因此修改了密封座尺寸，如圖2所示。

圖2 密封座修改

通過對堵塞器密封座“O”型密封面進行加長，使裝配的時候密封面能順利進入而不損傷“O”型密封件。整改后進行第2次密封強度試驗，試驗結果如表3所示。通過試驗數據看出，堵塞工具密封試驗到達設計要求。

表2 第一次密封強度試驗

2. 下井模擬可行性試驗

為驗證可通過式堵塞器的坐放功能性，在模擬井上對該工具進行了室內試驗。試驗入井管串為：繩帽+1根加重桿+震擊器+送入工具+可通過式堵塞器。

試驗管串入井后能順利通過1#工作筒，到達2#工作筒時記錄懸重；緩慢通過2#工作筒繼續下放2～7 m后緩慢上提，到達2#工作筒時觀察懸重；通過懸重的變化確定工具串向上通過了2#工作筒，繼續上提2～7 m停止；下放工具串，到達2#工作筒時懸重為零，說明堵塞器卡瓦牙處于半張開狀態；繼續向下震擊工具串，工具串無位移，上提工具串，懸重增加，繼續緩慢上提驗證堵塞器坐封成功，起出送入工具串；環空打氣壓15 MPa驗證堵塞器密封性，穩壓30 min，壓降為0.3 MPa，密封合格；泄壓為零后一次性打撈成功。試驗結果如表4所示。

表4 可通過式堵塞器試驗參數

四、結論

(1)針對不壓井起油管作業需多次下入堵塞器問題，提出了一種可通過式堵塞器，該工具能滿足可通過性要求，準確下入目標工作筒位置并完成坐封，保證帶壓作業起下油管順利進行。

(2)選取了滿足可通過式堵塞器工作需求的材料及密封組件，并對卡瓦牙及卡瓦牙本體進行了理論強度校核。

(3)對可通過式堵塞器的可通過性、可坐封性及密封性進行了室內試驗,并對堵塞器結構進行修正，滿足帶壓作業要求。