56排水型可溶節流器的研制與應用

為解決井下節流器因卡定機構腐蝕抱死、膠筒老化變形及節流器上方積液嚴重等原因導致的節流器無法打撈的問題，研制了56排水型可溶節流器。該節流器利用涂覆涂層的鎂鋁合金制成卡瓦下座，用水溶性橡膠制成水溶性膠筒，并新增排水結構，通過注入溶解液的方式溶解卡瓦下座及用水溶解膠筒，可以有效解決卡定機構腐蝕抱死以及膠筒難解封的問題，打開排水滑套排液可解決節流器上方積液問題。經室內試驗檢驗，其可溶卡瓦下座材料在原液中耐腐蝕速率為0.053 6 mm/a，在20%質量分數鹽酸中的溶解速率為2 296.38 mm/a；水溶性橡膠在56 ℃的原液中溶解速率為2 370.73 mm/a；排水機構的排水速率為833 cm3/s。在桃X井等8口井現場應用表明：研制的56排水型可溶節流器其耐溫、承壓、耐腐蝕、密封和解封性能均滿足設計要求，施工時可順利完成排液、注酸工作，同時溶解解封效果良好，可溶節流器打撈成功率為100%，該節流器適用于73.0 mm油管的水平井及定向井。研制技術與產品可為井場后續大規模應用與產品系列化提供有力的技術支撐。

井下節流器；水溶性膠筒；鎂鋁合金；涂覆涂層；溶解解封

中圖分類號：TE931

文獻標識碼：A

基金項目：國家自然科學基金項目“鈦鋯鈮基高溫形狀記憶合金相變機制及熱循環穩定性”（52071261）。

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.011

Development and Application of 56 Drainage Type Soluble Choke

Sun Yanping1" Zhao Yong1" Wang Wei2" Zhao Zhenhao1" Shen Delai1" Qu Wentao1

（1.Mechanical Engineering College，Xian Shiyou University；2.No.3 Gas Production Plant，PetroChina Changqing Oilfield Company）

In order to solve the problem that the downhole choke cannot be fished due to corrosion and locking of the locking mechanism，aging and deformation of the rubber barrel and severe liquid loading above the choke，a 56 drainage type soluble choke was developed.In the choke，the coated magnalium was used to make the lower seat of the slip，the water-soluble rubber was used to make the water-soluble rubber barrel，and a drainage structure was added.In this way，the problems of corrosion and locking of the locking mechanism and difficult unsetting of rubber barrel can be effectively solved by injecting a solution to dissolve the lower seat of the slip and water to dissolve the rubber barrel；moreover，the problem of liquid loading above the choke can be solved by opening the drainage sliding sleeve to discharge liquid.The laboratory test shows that the corrosion resistance rate of the soluble lower seat of the slip in the stock solution is 0.053 6 mm/a，and the dissolution rate in 20% concentration hydrochloric acid is 2 296.38 mm/a；the dissolution rate of water-soluble rubber in the 56 ℃ stock solution is 2 370.73 mm/a；and the drainage rate of the drainage mechanism is 833 cm3/s.The field application in 8 wells such as Well Tao X shows that the temperature resistance，pressure resistance，corrosion resistance，sealing and unsetting performance of the developed 56 drainage type soluble choke meet the design requirements.During construction，it can smoothly complete the drainage and acid injection work；meanwhile，the dissolution and unsetting effect is good，and the success rate of fishing is 100%.This choke is suitable for 73.0 mm tubing in horizontal and directional wells.The developed technology and product provide strong technical support for the subsequent large-scale application at well site and serialization of the product.

downhole choke；water-soluble rubber barrel；magnalium；coating application；dissolution unsetting

0" 引" 言

為防止氣井井口出現冰堵，保證氣井平穩生產，井下節流技術在各大氣田被廣泛應用，目前已成為開采中高氣田的關鍵技術［1-4］。但隨著此項技術的大規模應用，由于井下節流器存在金屬材料腐蝕引起卡定機構腐蝕抱死，膠筒老化、變形，節流器上方積液嚴重等問題，導致近30%井下節流器無法打撈，部分氣井無法按照配產正常生產，甚至因井筒隱患導致氣井關井，嚴重影響氣井產能［5-6］。

孫艷萍，等：56排水型可溶節流器的研制與應用

目前大多數新型節流器研制思路均為對原有節流器部件進行結構優化，如：劉小江等［7］針對神木氣田研制了平衡排水式井下節流器，該裝置自帶排液孔，利用卡爪卡于油管間隙內實現卡定，以解決現場由于節流器上部積液和積砂導致的無法解封問題；王惠等［8］針對蘇里格氣田研制了鎖芯式井下節流器，也稱坐落式井下節流器，為預置式井下節流器的一種，以此來提高打撈成功率；趙乃鵬等［9］研制了非常適合神木氣田的可調式井下節流器，該裝置在下井前裝入3個不同內徑的噴嘴，通過下砸操作更換氣嘴實現氣井的調產；衛亞明等［10］通過總結蘇里格氣田井下節流器運行及打撈過程中存在的問題，研制了單膠筒防滑井下節流裝置，該裝置采用了側面防砂，選用三爪式防下滑結構，以解決現有井下節流器砂卡及節流器下滑的問題。

但隨著鎂鋁合金材料制作而成的可溶橋塞以及可溶球座在油氣井的成功應用，掀開了可溶材料應用于井下工具的新篇章［11-16］。本文在已有井下節流器的基礎上，針對節流器卡定機構抱死、膠筒老化變形導致無法解封等問題，開展了將可溶鎂鋁合金及水溶性橡膠應用于研制新型井下節流器上，研制了56排水型可溶節流器。室內試驗和現場應用表明，該可溶節流器具有良好的推廣應用前景。

1" 結構與工作原理

1.1nbsp; 結構設計

56排水型可溶節流器結構如圖1所示。由圖1可見，該節流器主要由投送頭、打撈頭、水溶性膠筒、可溶卡瓦下座、卡瓦、卡瓦上座等24種零件組成。該節流器總長625 mm，最大外徑56 mm，適用于油管內徑為62 mm的氣井。

1.2" 工作原理

56排水型可溶節流器作業過程可分為投放、坐封、打撈解封3個階段。

（1）投放。如圖1所示，通過鋼絲作業，利用繩帽與節流器上的投送頭相連接，以不超過50 m/min的速度下放節流器，下放至設計位置上方50 m時，放緩下放速度，再繼續下放至設計位置。投放時可溶節流器狀態如圖2a所示。

（2）坐封。如圖1所示，至設計位置后向上震擊節流器，使得投送頭上移，帶動上芯桿、下芯桿及水溶性膠筒以下部分整體上移，致使卡瓦張開卡定于油管壁上，水溶性膠筒被壓縮后與油管壁進行緊密貼合；而后以不大于10 m/min的速度上提鋼絲，若鋼絲拉力達5 000 N以上，說明節流器成功坐封在油管壁上，震擊剪斷銷釘，節流器完成坐封，此時節流器狀態如圖2b所示。

（3）打撈解封。通過鋼絲作業，利用通井規探測節流器位置推開排水滑套排水；而后使用注液筒攜帶溶解液至節流器上方，利用自身重力將注液筒撞針頂開，使溶解液與節流器上的可溶卡瓦下座進行充分接觸，致使卡瓦失去支撐，引起卡定機構失效，同時使智能開關閥、膠筒芯部橡膠溶解，使水溶性膠筒上方失去擠壓力，膠筒回彈密封機構失效，從而實現可溶節流器解封，此時節流器狀態如圖2c所示。

1.3" 技術參數

耐溫125 ℃，承壓35 MPa，最大外徑56 mm，內通徑12 mm，總長625 mm，坐封行程34 mm。

2" 核心機構設計

2.1" 坐封/解封機構

56排水型可溶節流器的坐封/解封機構如圖3所示。由圖3可知，坐封/解封機構主體由卡瓦上座、可溶卡瓦下座、卡瓦3個零件組成。該機構在井內坐封時，卡瓦下座支撐卡瓦張開，使節流器卡定于油管之上。卡瓦下座材料選用鎂鋁合金，同時為防止鎂鋁合金在井內腐蝕導致節流器失效，采用由環氧聚酯及復合環氧聚酯為主要材料制成的有機涂層及由氫氧化鎂、聚磷酸鎂及磷酸氫鎂制成的無機涂層進行涂覆，涂層厚度20～25 μm。經驗證，其在56 ℃、20%質量分數鹽酸環境下溶解速率可以達到2 296.38 mm/a，在井內解封時，可以實現在打撈時速溶的效果。而后卡瓦失去支撐，使可溶節流器解封，避免了因該節流器卡瓦與卡瓦下座無法解封而造成節流器無法打撈的問題。

2.2" 水溶性膠筒密封結構

水溶性膠筒由芯部水溶性橡膠及外部氫化丁腈橡膠制成。氫化丁腈橡膠主要提高橡膠耐高溫及耐腐蝕性能，膠筒兩端加裝一圈雙層鋼絲簾線，在不影響膠筒擴張性能的情況下，該鋼絲簾線還可以提高膠筒的承壓性能。芯部水溶性橡膠在56 ℃井底原液中的溶解速率可達2 370.73 mm/a。

水溶性膠筒密封結構如圖4所示。由圖4可知，當節流器坐封后，膠筒芯部可溶部分與溶解通道之間形成空腔，溶解通道由可溶鎂鋁合金制成的智能開關閥密封，液體可以由節流器上方進入芯部密封套管處，并由密封圈封堵，從而將液體儲存。

膠筒的溶解機理為：在芯部密封套管環形分布3個5 mm的孔洞，同時孔洞利用可溶鎂鋁合金制成的智能開關閥密封。在溶解打撈時溶解液實現對智能開關閥的溶解，而后液體接觸到水溶性橡膠，完成對膠筒芯部的溶解，進而降低膠筒強度，降低打撈風險。

3" 室內試驗

為了驗證56排水型可溶節流器的綜合性能，對可溶卡瓦下座試片進行耐腐蝕性試驗、水溶性橡膠試片進行溶解性試驗；對56排水型可溶節流器分別進行整體承壓試驗、坐封與解封試驗、不同質量分數溶解液溶解試驗、排水試驗以及對油管進行浸泡腐蝕試驗，以檢驗56排水型可溶節流器是否達到設計要求及是否適用于入井生產。

3.1" 可溶卡瓦下座試片耐腐蝕性能試驗

首先將涂覆涂層后的可溶卡瓦下座3個試片（10 mm×10 mm×1 mm）懸掛于50 ml離心管中，向離心管中分別注入蘇X集氣站采出水樣品35 ml，將離心管放置于56 ℃的恒溫水浴鍋中，以模擬真實的介質工況及溫度工況。試驗時長為21 d。而后利用200 g/L的CrO3清洗表面腐蝕產物，再進行一次稱重測試，試驗結果如表1所示。從表1可見，可溶卡瓦下座試片的腐蝕速率為0.053 6 mm/a，腐蝕速率處于0.01～0.10 mm/a之間，屬于耐腐蝕材料，且低于油田行業標準中的腐蝕控制標準0.076 mm/a。滿足井內工況生產需求［17-18］。

3.2" 水溶性橡膠溶解試驗

取3個水溶性橡膠試片（10 mm ×10 mm×2 mm）置于100 ℃真空干燥箱內，干燥至恒重后置于50 ml離心管中。而后向離心管中注入蘇X集氣站采出水樣品35 mL，并將離心管放置于56 ℃的恒溫水浴鍋中，以模擬真實的介質工況及溫度工況，每間隔2 h將水溶性橡膠試片置入100 ℃真空干燥箱內干燥至恒重。同時按GB/T 531.1—2008標準要求，利用邵氏硬度儀完成每階段試片的硬度測試。

水溶性橡膠溶解試驗結果如圖5所示。由圖5a可知，水溶性橡膠試片在經歷8 h的浸泡溶解之后失重率達到64%，平均溶解速率達2 370.73 mm/a。由圖5b可知，水溶性橡膠試片邵氏硬度由85 HA降低至43.5 HA，且在浸泡8 h后，試片殘余部分完全失去力學性能并呈現流體狀。證明該水溶性橡膠溶解性能良好，可以滿足水溶性膠筒的溶解性能要求［19］。

3.3" 整體承壓、坐封和解封試驗

可溶節流器整體承壓、坐封和解封試驗情況如圖6所示。由圖6a可見，將可溶卡瓦下座及水溶性膠筒安裝于56排水型可溶節流器上，而后將節流器坐封于油管中，使用液壓油向油管中施加35.0 MPa壓力，待壓力穩定30 min后對節流器進行泄壓解封，反復試驗3次，穩定后的壓力分別為34.8、34.8、35.0 MPa。

將節流器拆解后，可溶卡瓦下座未出現損傷變形及涂層破損，如圖6b所示。水溶性膠筒出現輕微可恢復變形，如圖6c所示，其變形量由70 mm變為68 mm，經28 h靜置后可完全恢復，將節流器解封。為觀察可溶膠筒變形情況，將可溶膠筒安裝于節流器上進行坐封，如圖6c所示，膠筒變形均勻，無氣泡、破裂等現象。由此證明56排水型可溶節流器整體強度及各零部件強度可以在井內高壓環境下實現坐封，滿足井內最高35 MPa工作壓力的需要［20］。

3.4" 可溶卡瓦下座溶解試驗

分別將5組56排水型可溶節流器坐封于73.0 mm（27/8 in）的油管之中，向已經完成坐封的節流器上方分別投放質量分數為37%、30%、20%、10%的鹽酸溶液，以及質量分數為40%的氯化鐵溶液各1.8 L。待液體接觸表面時，每間隔20 min利用葫蘆絲以120 N的力提拉3次，以判斷56排水型可溶節流器是否溶解解封。

溶解后的卡瓦下座宏觀狀態如圖7所示。其中圖7a、圖7b、圖7c、圖7d、圖7e分別是質量分數為37%、30%、20%、10%的鹽酸溶液，以及質量分數為40%的氯化鐵溶液溶解至解封的宏觀狀態圖。由圖7可見，可溶卡瓦下座表面出現大面積溶解，致使卡瓦與油管失去支撐力，卡定機構解封。

可溶節流器在不同溶解液下的解封時間如表2所示。由表2可知，當可溶性卡瓦下座失重率處于40.1%～49.3%范圍內時，可溶節流器卡定機構失效，節流器實現解封。其溶解速率依次為3 877.17、2 296.38、1 803.96、892.77和1 009.68 mm/a?？梢姡S著溶解液質量分數的升高，節流器解封時間縮短。

3.5" 油管浸泡腐蝕試驗

分別取5組73.0 mm的油管各10 cm長，使用P110材質鋼板對油管一端進行封堵，而后將質量分數為37%、30%、20%、10%的鹽酸溶液，以及質量分數為40%的氯化鐵溶液各取300 mL，分別注入油管之中，進行油管浸泡腐蝕試驗。試驗時長為28 d。試驗后發現，油管內壁未出現裂紋、孔蝕、穿孔等現象。而后利用冷風機將油管內部吹干，進行稱重。油管在不同溶解液下的腐蝕速率如表3所示。由表3可得，鹽酸溶液隨質量分數的增加其腐蝕速率也逐步增大，最大平均腐蝕速率為1.826 mm/a。由此可知，結合現場施工耗時短暫、溶解液用量少、井底液體多及油管壁泥垢隔絕等特點，試驗用鹽酸對油管危害極小。同時為了最大限度地降低溶解液對油管腐蝕影響，并結合3.4溶解試驗結果及現場施工人員勞動強度，優選20%質量分數的鹽酸1.8 L用于現場試驗［21］。

3.6" 節流器排水試驗

為防止56排水型可溶節流器在進行溶解打撈時，節流器上方可能出現嚴重積液而影響溶解液質量分數的變化及節流器的打撈問題，需要對該可溶節流器的排水結構進行排水試驗，以驗證節流器的排水性能及排水速率。

可溶節流器的排水試驗情況如圖8所示。將56排水型可溶節流器坐封于油管中，如圖8a所示。向油管上方投放1 000 mL液體，而后推開排水滑套，液體經排水孔流入，于防砂器處流出，如圖8b所示。整個排水過程耗時1.2 s，排液速率達833 cm3/s。該試驗為井內排液提供了依據，確定了井內排液時長。

4" 現場應用

為驗證所設計的56排水型可溶節流器能夠解決井下節流器打撈時的技術難題，在蘇里格氣田8口氣井中對該節流器進行現場應用。其中，包括3口水平井以及5口定向井。8口井的應用時長為3～6個月?，F場應用結果表明，56排水型可溶節流器在井內服役生產期間生產平穩，未發生井口冰堵、節流器腐蝕失效等情況；56排水型可溶節流器在溶解打撈方面，可溶卡瓦下座溶解效果良好，打撈成功率達100%，使節流器打撈成功率提升了30%。

以蘇里格氣田桃X井為例介紹現場具體應用情況。對56排水型可溶節流器即將服役的桃X井進行全程生產監測。桃X井井深3 552 m，人工井底在3 464 m，預測地層壓力為25.2 MPa。投放前氣井處于關井狀態。油壓為13.78 MPa，套壓為14.8 MPa。2022年11月1日，將該可溶節流器投放于井內1 504 m處坐封。投放結束后開井，開井后氣井油壓逐步下降、套壓逐漸上升，35 min后氣井油壓穩定于3.4 MPa、套壓穩定于16.8 MPa，表明節流器坐封、密封效果良好。

圖9為桃X井全程生產監測所得的油套壓及流量情況圖。由圖9可知，常規節流器服役時期油壓波動于3～4 MPa之間、套壓波動于14.0～17.8 MPa之間，氣井瞬時流量平穩，節流器生產平穩。更換為56排水型可溶節流器，因氣嘴直徑由3.0 mm減小至2.6 mm，油套壓出現下降，歷經100 h的波動后，節流器生產重新趨于穩定，油壓穩定于1.5～1.7 MPa之間、套壓波動于13～15 MPa之間，氣井瞬時流量平穩生產，與常規節流器生產效果持平。56排水型可溶節流器在服役期間生產平穩，可用于采氣生產。

2023年2月14日，對桃X井節流器進行打撈，先下通井規通井，探測液面位于1 240 m，節流器位于1 504 m，節流器未出現移動。繼續下行通井規推開排水滑套，依據排液速率833 cm3/s排液2.6 h，而后再次利用通井規探測，節流器上方無液面。起出通井規，使用注液筒攜帶1.8 L質量分數為20%的鹽酸溶液，投放至節流器上方，而后迅速起出注液筒，下放打撈筒捕捉住節流器，靜置5 h，作業車張力檢測表增重50 kg，判斷節流器卡瓦下座溶解，節流器解封。上提節流器，節流器一次性順利打撈，如圖10所示。由圖10可見，可溶卡瓦下座溶解良好，卡定機構正常失效，膠筒芯部橡膠溶解呈現流體狀而失去力學性能，從而大大提高了節流器打撈成功率。

5" 結" 論

（1）經室內試驗，56排水型可溶節流器可溶卡瓦下座材料耐腐蝕速率為0.053 6 mm/a，耐腐蝕性能滿足井內工況，可以保證節流器正常工作；20%質量分數的鹽酸溶液為最優溶解液，溶解速率為2 296.38 mm/a；所使用的水溶性橡膠溶解性能良好，溶解速率為2 370.73 mm/a，滿足坐封及溶解需要；該可溶節流器排水效果良好，排水速率為833 cm3/s。

（2）室內試驗及現場應用的檢驗證明，56排水型可溶節流器結構合理，膠筒密封效果良好，可溶卡瓦下座承壓效果良好，各部件材質可以應對井內高溫、高壓、高腐蝕的環境，滿足井內的正常生產需要。

（3）56排水型可溶節流器適用于73.0 mm油管的水平井及定向井之中，可以滿足35 MPa及以下氣井的生產需求，通過溶解可溶卡瓦下座及水溶性膠筒的方式打撈節流器，可將節流器打撈成功率提升30%，該節流器具有良好的推廣應用前景；該技術可進一步延伸，形成適用于不同尺寸油管的系列化產品。

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第一孫艷萍，女，副教授，生于1977年，2017年畢業于西北工業大學機械設計及理論專業，獲博士學位，現從事石油機械設計、有限元分析等研究工作。地址：（710065）陜西省西安市。電話：（029）88382612。email：xnsyp@xsyu.edu.cn。

通信作者：屈文濤，教授。email：wtqu@xsyu.edu.cn。2024-06-19宋治國