液壓式大通徑丟手封隔器的研制與應(yīng)用

宋輝輝， 賀啟強(qiáng)， 何程程

(1中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2 中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

目前，勝利油田普遍進(jìn)入特高含水期，開發(fā)難度逐年加大，而埕島油田綜合含水最低，年產(chǎn)量接近300×104t，其在油田占據(jù)的地位逐漸上升，成為勝利油田增產(chǎn)主陣地。埕島油田屬河流相砂巖油藏，儲(chǔ)層分布上呈現(xiàn)縱向?qū)訑?shù)多、層厚度薄的特征，平面儲(chǔ)層物性差、砂體變化多樣，屬高孔高滲疏松砂巖常規(guī)稠油。注水井井段長、油層跨度大，地層膠結(jié)疏松，非均質(zhì)性突出、極易出砂。

開發(fā)此類油藏主要采用大通徑分層防砂分層注水一體化工藝技術(shù)。工藝實(shí)施過程中，先下防砂工藝管柱，然后坐封并打壓實(shí)現(xiàn)分層封隔器坐封、油管錨錨定，之后投球打壓實(shí)現(xiàn)丟手封隔器丟手，防砂工藝管柱保留在井筒內(nèi)。其中，丟手封隔器的性能會(huì)直接影響防砂效果、施工成功率以及下一步的注水工藝。由于丟手封隔器采用投球打壓坐封，當(dāng)井斜較大時(shí)，導(dǎo)致投球不到位，或者井內(nèi)環(huán)境較臟時(shí)，球座上的雜質(zhì)和球不能密封。這兩者都會(huì)導(dǎo)致不能正常丟手，嚴(yán)重影響了一次施工成功率，增加了作業(yè)成本。同時(shí)，留井內(nèi)的懸掛封隔器的小直徑限制了后期注水工藝的施展[1-5]。

為解決此類問題并提高工藝實(shí)施成功率，開展了液壓式大通徑丟手封隔器的研制，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場120井次的成功應(yīng)用表明，改進(jìn)后坐封力大幅降低，丟手操作簡單、可靠，應(yīng)用效果良好。

一、液壓式大通徑丟手封隔器結(jié)構(gòu)

液壓式大通徑封隔器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由坐封、錨定、丟手及解封4大部分組成。坐封部分由防轉(zhuǎn)套、坐封活塞、安全鎖塊、下活塞等組成，錨定由卡瓦、卡瓦套組成，丟手部分由丟手中心管、丟手棘爪、滑套和丟手套組成，解封部分由支撐體、解封中心管和解封棘爪組成。

圖1 大通徑丟手封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

鋼體最大外徑152 mm，內(nèi)通徑62 mm，坐封壓力5～7 MPa，工作壓差20～22 MPa ，兩端連接螺紋2-7/8NU，適用于套管內(nèi)徑139 mm。

二、工作原理

1. 懸掛坐封

壓力液通過進(jìn)液口進(jìn)入坐封活塞內(nèi)推動(dòng)坐封活塞和下活塞向上移動(dòng)，坐封活塞移動(dòng)一段距離后與安全鎖塊脫離，安全鎖塊釋放，壓力液就對(duì)下活塞開始加載，下活塞向下移動(dòng)帶動(dòng)上椎體向外擠壓卡瓦，卡瓦從卡瓦套出來錨定在套管壁上，實(shí)現(xiàn)懸掛，繼續(xù)打壓，坐封活塞向上頂鎖套，鎖套與壓環(huán)之間的坐封剪釘受力剪斷，鎖套向上擠壓膠筒，實(shí)現(xiàn)坐封。

2. 錨定

卡瓦從卡瓦套出來并錨定在套管管壁，實(shí)現(xiàn)卡瓦牙卡在套管管壁，依靠鎖緊機(jī)構(gòu)保持卡瓦不回縮。

3. 丟手

壓力液從通孔進(jìn)入丟手活塞內(nèi)，推動(dòng)丟手活塞和丟手連接體向下移動(dòng)，同時(shí)丟手連接體帶動(dòng)定位銷在丟手撐套上的軌道槽移動(dòng)，當(dāng)壓力液持續(xù)增加，將丟手剪釘剪斷，丟手活塞帶動(dòng)丟手連接體和丟手支撐套一同向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)丟手。

4. 解封

下入打撈工具，打撈工具進(jìn)入打撈頭以后，上提管柱，帶動(dòng)外中心管、下接頭向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一定上提力時(shí)，解封剪釘剪斷，丟手部分及膠筒坐封部分整體下移，隨之實(shí)現(xiàn)卡瓦收回，膠筒解封。

5. 技術(shù)特點(diǎn)

(1)通過地面打壓控制活塞運(yùn)動(dòng)，免去投球程序。

(2)將丟手連接體與丟手連接套分開設(shè)計(jì)，兩者之間形成一個(gè)“空行程”，將剪斷丟手連接體剪釘?shù)牧蛷募ι侠鰜G手連接體的力分開，大大降低了丟手壓力，而且丟手更加可靠。

(3)丟手采用液力打壓，適于大斜度井。

(4)膠筒與“O”型圈采用復(fù)合耐高溫耐磨材料，適于高溫高壓井應(yīng)用。

(5)打撈工具連接打撈頭上提，即可實(shí)現(xiàn)膠筒解封和卡瓦收回。

(6)丟手之后大通徑便于后序作業(yè)。

三、室內(nèi)試驗(yàn)

該丟手封隔器設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了樣機(jī)試制，在模擬井開展了耐溫、耐壓、密封性等指標(biāo)的室內(nèi)試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)步驟如下：在150℃的模擬井溫條件下，進(jìn)行打壓坐封及中心管保壓條件下的打壓試驗(yàn)，測定坐封銷釘?shù)募魯鄩毫?，?yàn)證封隔器的密封性能；丟手后，進(jìn)行管柱解封試驗(yàn)，驗(yàn)證封隔器是否可以靈活解封，測定解封力；如果解封成功，繼續(xù)重復(fù)坐封試驗(yàn)，驗(yàn)證封隔器的二次坐封及密封性，下入打撈工具，驗(yàn)證封隔器的二次解封能力。

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。為了進(jìn)一步驗(yàn)證封隔器的可靠性，重復(fù)進(jìn)行了3次上述實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)證明封隔器各項(xiàng)性能穩(wěn)定可靠，滿足現(xiàn)場試驗(yàn)要求。

表1 大通徑丟手封隔器性能指標(biāo)

四、仿真分析

液壓式大通徑丟手封隔器在坐封、丟手、解封過程中承受較大載荷，為此，選取系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的中心管和坐封活塞進(jìn)行了有限元受力分析，如圖2和圖3所示。

圖2 中心管有限元分析結(jié)果

圖3 坐封活塞有限元分析結(jié)果

中心管和坐封活塞材料分別為45號(hào)鋼，材料許用應(yīng)力353 MPa，其中中心管在外載荷15 MPa時(shí),最大應(yīng)力發(fā)生在中心管為257.7 MPa，最大應(yīng)變發(fā)生在中心管上端為14.7 mm，最小安全系數(shù)為1.37；坐封活塞在載荷15 MPa時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在活塞密封圈槽處為26.3 MPa,最大應(yīng)變發(fā)生在坐封活塞內(nèi)側(cè)與中心管接觸臺(tái)階面處為0.74 mm，最小安全系數(shù)為13.4，仿真結(jié)果表明中心管和坐封活塞均滿足強(qiáng)度要求。

五、現(xiàn)場應(yīng)用

在室內(nèi)試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，為更好的驗(yàn)證液壓式大通徑丟手封隔器的可靠性，截至2018年12月，已經(jīng)在勝利海上油田應(yīng)用120口井，丟手壓力穩(wěn)定，基本在18～20 MPa之間，施工成功率100%，最大井斜74.18°，解決了海上油田大斜度井或者井壁不干凈造成的丟手較難的問題，同時(shí)，使用該類封隔器的施工時(shí)間由6 h縮短至1 h，大大降低了海上施工成本。該封隔器技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施情況如表2所示。

表2 技術(shù)服務(wù)井史資料

六、結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)海上水井長效可靠注水工作需求，研制了大通徑丟手懸掛封隔器，滿足油水井防砂、卡封、注水等工藝的頂部懸掛作業(yè)。

(2)液壓式大通徑丟手封隔器實(shí)現(xiàn)了免投球坐封、錨定及丟手，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，縮短施工周期，有效節(jié)省施工成本。

(3)室內(nèi)試驗(yàn)、仿真分析及現(xiàn)場應(yīng)用表明，該丟手封隔器坐封、解封及丟手設(shè)計(jì)可行，工具工作性能可靠穩(wěn)定，具有很好的市場應(yīng)用前景。