電纜坐封沉砂封隔器下滑原因分析與實(shí)驗(yàn)研究

靳榮博,徐鳳祥,鄭九洲,張文博,常志健,蔡?hào)|興

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津分公司,天津 300459)

在海上油田常規(guī)完井工具中,沉砂封隔器用于套管井防砂管柱中,起到支撐管柱和隔離人工井底的作用[1]。沉砂封隔器有液壓坐封和電纜坐封兩種方式,液壓坐封以水為介質(zhì),鉆桿與坐封工具連接,在平臺(tái)上向鉆桿逐漸增大水壓實(shí)現(xiàn)沉砂封隔器的坐封,而電纜坐封避免了逐節(jié)下入鉆桿的繁瑣工序,通過電纜送入沉砂封隔器,到達(dá)指定位置后,導(dǎo)通電流點(diǎn)燃坐封工具內(nèi)的火藥,火藥爆炸產(chǎn)生推力使沉砂封隔器坐封。近年來關(guān)于沉砂封隔器失效報(bào)道較多,如渤海油田L(fēng)D16區(qū)塊某井在作業(yè)過程中出現(xiàn)沉砂封隔器未坐實(shí)現(xiàn)象,經(jīng)分析原因?yàn)榭ㄍ呱洗嬖诋愇飳?dǎo)致坐封力無法傳遞且坐封時(shí)間不足導(dǎo)致坐封不完全;LD52N區(qū)塊某井在作業(yè)過程中出現(xiàn)坐封后驗(yàn)卡瓦異常現(xiàn)象,經(jīng)分析原因?yàn)樯淇缀缶畠?nèi)溢流返吐地層砂沉降在卡瓦處,沉砂封隔器坐封力不足導(dǎo)致卡瓦未完全張開。一些專家也分析了沉砂封隔器失效原因,并給出了相應(yīng)的解決方案,柯康等[2]分析了沉砂封隔器在下入過程中失效問題,其原因是沉砂封隔器在下入過程中卡瓦提前張開導(dǎo)致失效,無法下到指定位置,采用根源分析法認(rèn)為失效的原因是蠟塊逐漸堆積的結(jié)果,并給出了嚴(yán)格控制下放速度、下入前保證井內(nèi)清潔等解決措施。渤海油田的某熱采生產(chǎn)井中出現(xiàn)了沉砂封隔器坐封后下滑的現(xiàn)象,本文以適用于φ244.5 mm套管井的熱采沉砂封隔器為研究對(duì)象,分析沉砂封隔器下滑原因,并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為優(yōu)化改進(jìn)沉砂封隔器以及現(xiàn)場作業(yè)人員避免出現(xiàn)此類問題提供可行性參考。

1 電纜坐封沉砂封隔器結(jié)構(gòu)及坐封原理

φ244.5 mm的熱采沉砂封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,由推筒、頂部接頭、鎖環(huán)、芯軸、膠桶、卡瓦、下接頭等零部件組成,相關(guān)參數(shù)如表1所示,坐封工具采用貝克20#電纜坐封工具,其內(nèi)部火藥為ZHY2-3型慢燃火藥。

表1 熱采沉砂封隔器參數(shù)

圖1 熱采沉砂封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

選用內(nèi)徑為224.4 mm套管為實(shí)驗(yàn)套管,貝克電纜坐封工具通過電纜坐封適配器與φ244.5 mm熱采沉砂封隔器連接,如圖2所示,其坐封原理為:電流觸發(fā)貝克電纜坐封工具上的橋塞點(diǎn)火器,橋塞點(diǎn)火器將慢燃火藥點(diǎn)燃,火藥產(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為推力通過電纜坐封適配器作用在熱采沉砂封隔器的推筒上,推筒向前推動(dòng),啟動(dòng)剪釘被剪斷,上下卡瓦逐漸張開并咬合在套管內(nèi)壁上,同時(shí)擠壓膠桶,使膠桶緊緊貼合在套管內(nèi)壁上,膠桶的上端與下端形成兩部分密閉的環(huán)空區(qū)域,上下卡瓦的咬合力達(dá)到峰值后丟手剪釘被剪斷,火藥燃盡后回收電纜及坐封工具,坐封完成。

圖2 熱采沉砂封隔器坐封原理

2 電纜坐封沉砂封隔器下滑原因

由于電纜坐封沉砂封隔器由上下卡瓦支撐[3-4],因此,卡瓦質(zhì)量和上下卡瓦與套管的咬合力是決定沉砂封隔器下滑最主要的因素。

2.1 卡瓦質(zhì)量檢測

選取失效封隔器卡瓦,由外表面至芯部選取樣品共7處,球柱直徑為30 mm,套管內(nèi)壁硬度均不大于30 HRC,檢測結(jié)果如表2所示。

表2 失效封隔器卡瓦硬度檢測結(jié)果

套管為BG110H鋼級(jí),由表2可知,卡瓦表面硬度與芯部硬度均符合卡瓦質(zhì)量要求且均大于套管內(nèi)壁表面硬度,因此該沉砂封隔器的卡瓦質(zhì)量合格,卡瓦不是影響封隔器下滑的主要因素。

2.2 上下卡瓦咬合力影響因素

采用根源分析法分析影響上下卡瓦的咬合力有以下三點(diǎn)因素[5-10]：坐封時(shí)間、坐封力、卡瓦槽壁厚。

坐封時(shí)間是指封隔器坐封時(shí)啟動(dòng)剪釘剪斷后,丟手剪釘剪斷前的間隔時(shí)間,坐封時(shí)間過短可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)剪釘剪斷后卡瓦與套管的咬合力未達(dá)到預(yù)定值就完成丟手,上下卡瓦無法承受防砂管柱的軸向應(yīng)力導(dǎo)致沉砂封隔器下滑。

坐封力是指丟手剪釘剪斷前,施加在沉砂封隔器使卡瓦咬合套管的最大軸向應(yīng)力,若坐封力過小,可能會(huì)導(dǎo)致卡瓦與套管的咬合力未達(dá)到預(yù)定值或卡瓦未完全張開,導(dǎo)致沉砂封隔器下滑。

卡瓦槽壁厚是指卡瓦內(nèi)壁到開槽口的最大距離,如圖3所示,卡瓦槽壁厚影響使卡瓦張開所需的軸向力的大小,是坐封阻力之一,若卡瓦槽壁厚越厚,使卡瓦張開所需軸向力越大,當(dāng)坐封力一定時(shí),卡瓦與套管的咬合力越小。因此卡瓦槽壁厚影響卡瓦與套管之間的咬合力,是影響沉砂封隔器下滑的因素之一。

圖3 卡瓦槽壁厚示意

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以上原因采用單一變量法設(shè)計(jì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),將下接頭更換為堵頭工裝,以水為介質(zhì),在上打壓口逐漸增加水壓至20.7 MPa,并保壓至少15 min。水壓與軸向推力的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式1所示。

(1)

式中:F為水壓產(chǎn)生的軸向推力,kN;P為水壓,MPa;r為套管半徑,mm。

以下卡瓦下滑距離作為評(píng)價(jià)熱采沉砂封隔器下滑位移量[11-12],水壓產(chǎn)生的推力為408.66 kN。

3.1 坐封時(shí)間對(duì)上下卡瓦下滑距離的影響

保持其他影響因素不變,調(diào)整火藥控制坐封時(shí)間分別為13.9、15.7、17.5、19.3、21.2 s,測量下卡瓦下滑距離,并繪制柱狀圖,如圖4所示,由圖可知坐封時(shí)間越長,下卡瓦下滑距離越小,當(dāng)坐封時(shí)間超過17.5 s后,下卡瓦不再下滑,這是由于足夠的坐封時(shí)間保證了上下卡瓦完全張開,上下卡瓦與套管的咬合力能夠承受水壓產(chǎn)生的推力,因此熱采沉砂封隔器不再下滑。

圖4 下卡瓦下滑距離隨坐封時(shí)間變化曲線

3.2 坐封力對(duì)上下卡瓦下滑距離的影響

保持其他因素不變,分別測試坐封力為265.09、269.7、275.09、284.98、291.02 kN,測量下卡瓦下滑距離,并繪制柱狀圖,如圖5所示,由圖可知坐封力越大,下卡瓦下滑距離越小,當(dāng)坐封力大于275.09 kN后下卡瓦不再下滑,這是由于足夠的坐封力時(shí)保證了上下卡瓦能夠緊緊咬合在套管內(nèi)壁上,隨著坐封力逐漸增大,上下卡瓦與套管咬合力逐漸增大,因此熱采沉砂封隔器不再下滑。

圖5 下卡瓦下滑距離隨坐封力變化曲線

3.3 卡瓦槽壁厚對(duì)上下卡瓦下滑距離的影響

保持其他因素不變,分別加工卡瓦槽壁厚為3.5、3.0、2.5 mm的上下卡瓦并分別進(jìn)行坐封實(shí)驗(yàn),記錄上卡瓦張開力,并繪制成柱狀圖,如圖6所示,經(jīng)測量3次實(shí)驗(yàn)下卡瓦均未下移,究其原因,雖然卡瓦槽壁厚逐漸變薄,上下卡瓦張開的力逐漸變小,但相比于坐封力而言,該力對(duì)卡瓦咬合套管力影響不大,因此卡瓦槽壁厚雖然一定程度上影響卡瓦與套管的咬合力,但對(duì)熱采沉砂封隔器下滑影響并不顯著。

圖6 上卡瓦張開力隨卡瓦槽壁厚變化曲線

4 結(jié)論

1)坐封時(shí)間對(duì)電纜坐封沉砂封隔器下滑影響顯著,在火藥燃盡時(shí)間內(nèi),有效坐封時(shí)間越長,電纜坐封沉砂封隔器越不易下滑。

2)坐封力對(duì)電纜坐封沉砂封隔器下滑影響顯著,坐封力越大,卡瓦與套管咬合力越大,電纜坐封沉砂封隔器越不易下滑。

3)卡瓦槽壁厚對(duì)電纜坐封沉砂封隔器下滑影響不顯著,卡瓦槽壁厚越薄,雖然一定程度上可減小坐封阻力,但在一定范圍內(nèi),對(duì)卡瓦與套管的咬合力影響不大,不是影響電纜坐封沉砂封隔器下滑的主要因素。