分段壓裂用雙功能丟手工具研制

趙廣民，王治國，趙敏琦，張麗娟，張文星

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710021）①

油氣田現(xiàn)場使用的安全丟手工具主要有反扣丟手、液壓丟手和機械丟手3種丟手方式，功能單一，不能組合使用，或組合后工具串較復雜。隨著水平井的增多，特別是長水平段裸眼氣井的完井工藝，需采用鉆桿將井下裸眼封隔器及完井管柱下入井內。如果采用投球方式丟手，受井斜或其他因素影響，導致鋼球不到位或丟手壓力太高；如果采用旋轉丟手方式，存在管柱難以轉動或井下工具串沒有完全固定，導致旋轉丟手失效的可能。因此，采用單一的丟手方式，當丟手功能不可靠時，將給施工帶來極大的不方便，還可能造成巨大的經濟損失［1］。設計的雙功能丟手工具在總結現(xiàn)有的旋轉丟手及液壓丟手方式的基礎上，同時采用反扣和液壓2種丟手方式，提高了丟手可靠性，確保井下管柱的順利丟手，避免造成復雜井下事故，降低施工風險［2］。

1 結構及工作原理

雙功能丟手工具由下接頭、密封套、鎖爪等組成，結構如圖1。

圖1 雙功能丟手工具結構

1）液壓丟手從中心管投入丟手鋼球，待鋼球落至雙功能丟手工具的滑套處后，給中心管加壓至20～22 MPa，剪切銷釘被剪斷，滑套下行。鎖爪失去滑套的限制后回彈，與密封套的鎖定失效，中心管與下接頭脫離，丟手成功。上提管柱，倒扣接頭、鎖爪、滑套及鋼球會隨中心管被提出密封筒，完成丟手。

2）機械丟手如果加壓至30 MPa仍無法丟手，則采用機械丟手方式。該方式是采用正轉管柱完成丟手的。正轉管柱時，中心管帶動倒扣接頭、密封套一起正轉，由于密封套與下接頭之間為反扣連接，當轉動轉矩大于兩者之間阻力轉矩時，兩者便會脫開；上提管柱，中心管帶動滑套、倒扣接頭、鎖爪、密封套及鋼球脫離密封筒，完成丟手。

2 技術參數(shù)

3 鎖爪強度校核

丟手工具除要求丟手性能安全可靠外，下鉆過程中還需要懸掛下部的管柱，所以其懸掛力的大小也是一個重要參數(shù)。下部管柱的重力是通過鎖爪作用在中心管上的，應校核鎖爪的強度。鎖爪結構及尺寸如圖2，其材質為35CrMo，屈服強度900 MPa。

圖2 鎖爪結構

3.1 抗拉強度

3.2 抗剪切強度

在管柱下入過程中，由于下部管柱的自重，圖2中的A－A 截面處受到剪切力作用，丟手下部管柱按2500m計算，其管柱在泥漿中的自重力不大于500 kN，其剪切面積為

根據(jù)材料力學，材料的剪切極限等于0.6～0.8倍屈服強度，故該材料的剪切極限為540 MPa。所以，鎖爪的剪切力可達Q＝5849×540＝3158kN，安全系數(shù)為3158／500＝6.3，可以滿足使用要求。

經過計算薄弱部位的抗拉和抗剪切強度得知，該丟手工具可以懸掛650kN的管柱，安全系數(shù)為：1217.3／650＝1.87，大于中石油規(guī)定的管柱抗拉強度安全系數(shù)1.6。

4 室內試驗

為了檢驗雙功能丟手工具的各項技術數(shù)據(jù)是否符合設計要求，在室內進行承壓試驗、液壓及機械丟手試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1～2。

表1 雙功能丟手工具液壓丟手試驗數(shù)據(jù)

表2 雙功能丟手工具機械丟手試驗數(shù)據(jù)

室內試驗結果表明：該安全丟手工具的各項技術指標均達到了設計要求。液壓及機械丟手后的部件分別如圖3～4。

圖3 液壓丟手后丟手前端部件

圖4 機械丟手部件

5 現(xiàn)場應用

分段壓裂工藝原理為：利用鉆桿下入分段壓裂工具串，投球加壓坐封裸眼封隔器和懸掛封隔器，投球加壓或正轉管柱，丟手分壓工具串，再回接壓裂管柱；加壓打開第1級滑套，進行第2段的壓裂。第1段施工結束后投球打開第2級滑套，進行第2段壓裂，依次類推。在不動管柱情況下，可實現(xiàn)水平井分段壓裂［3］。送入管柱結構如圖5。

圖5 裸眼封隔器分段壓裂送入管柱結構

截至2012－12，該安全丟手工具現(xiàn)場共應用12口井，均采用液壓丟手，最高丟手壓力為24MPa，最低丟手壓力為20MPa，平均丟手壓力21.3MPa，符合設計要求。

6 結論

1）多功能丟手工具的結構緊湊、合理，液壓、機械丟手靈活可靠，并且可以通過改變剪釘強度來調整液壓丟手壓力［4］。

2）機械丟手為右旋管柱丟手，避免了左旋管柱在丟手中引起管柱倒扣的風險，旋轉丟手可根據(jù)需要調整機械轉矩。

3）室內及現(xiàn)場試驗表明，該安全丟手工具的各項性能指標均達到了設計要求，丟手可靠，降低了由于丟手不成功而導致的復雜井下事故的風險。

［1］胡相君，王治國，馮長青.機械液壓雙功能丟手接頭：中國，ZL201020532596.7［P］.2011－04－20.

［2］吳姬昊.石油工程專用丟手機構的分析與研究［J］.石油礦場機械，2004，32（2）：63－65.

［3］王勵斌.水平井裸眼選擇性分段壓裂完井技術與工具［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：70－74.

［4］李玉海.球掛式液壓丟手工具研制［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：71－73.