帶壓作業(yè)鋼絲投送式堵塞器設(shè)計(jì)研究

朱磊

（大慶油田昆侖集團(tuán)井田實(shí)業(yè)公司，黑龍江 大慶 163712）

帶壓作業(yè)技術(shù)是在不壓井、不泄壓的狀態(tài)下起管，桿的井下作業(yè)技術(shù),主要包括管柱內(nèi)堵塞技術(shù)、油套環(huán)空密封技術(shù)、管柱加力控制技術(shù)和系列配套技術(shù)，主要解決了油氣水井作業(yè)時(shí)保持地層壓力的難題。目前帶壓作業(yè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用于油水井帶壓維護(hù)、熱采井帶壓作業(yè)、欠平衡鉆井、低壓氣井帶壓作業(yè)等多個(gè)作業(yè)范圍，取得了良好的效果。

帶壓作業(yè)主要由帶壓設(shè)備和堵塞器完成雙封一頂，即封堵油管內(nèi)壓力、封堵油管套管環(huán)空壓力、防止油管上頂。堵塞器就是封堵油管內(nèi)壓力的關(guān)鍵，也是帶壓作業(yè)完成的基礎(chǔ)。鋼絲投送式堵塞器作為油管內(nèi)堵塞工藝主要采用的一類堵塞工具，被國(guó)內(nèi)所廣泛使用。但由于現(xiàn)有鋼絲投送式堵塞器的開(kāi)發(fā)使用起步較晚，樣式單一，工藝技術(shù)積累較少，應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜條件適用性不足，設(shè)備需求較高，且易封不住，堵塞失敗率較大。

為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的鋼絲投送式堵塞器，提高油管內(nèi)堵塞成功率，降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 鋼絲投送式堵塞器的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

大慶油田注水井地層壓力普遍為10～30MPa（以1000m井深計(jì)算），而鋼絲投送式堵塞器在1000m井深處封堵后，由于在膠筒上下存在約為10MPa的壓差，所以最大封堵壓力通常不超過(guò)20MPa。因此，本課題設(shè)計(jì)的鋼絲投送式堵塞器的最大封堵壓力設(shè)定為21MPa。

所設(shè)計(jì)鋼絲投送式堵塞器要求可以由2.8mm或3.2mm試井鋼絲進(jìn)行投送，鋼絲最大提供的拉力為10kN。

大慶油田現(xiàn)有的采油井、注水井普遍采用J55石油管材，常見(jiàn)的生產(chǎn)管柱油管使用最多、最普遍的油管型號(hào)為2-7/8″平式油管，壁厚5.51mm。因此，鋼絲投送堵塞器以封堵2-7/8″油管為主。

2-7/8″-5.51油管內(nèi)徑為62mm，所以本鋼絲投送式堵塞器封堵直徑設(shè)定為Φ62mm。

注水管柱通常由油管、封隔器、配水器、球座等組成。鋼絲投送式堵塞器本體為了下放至注水管柱任意位置，必須通過(guò)封隔器、配水器的內(nèi)孔。

常用注水用封隔器中心孔通徑都是大于配水器中心通孔直徑的。設(shè)計(jì)后的鋼絲投送式堵塞器本體外徑不能大于Φ46mm，且應(yīng)留有間隙，為了保證其正常使用功能，本體最大直徑可在Φ40～Φ44mm，以方便通過(guò)封隔器、配水器。

2 鋼絲投送式堵塞器基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本鋼絲投送式堵塞器由定位機(jī)構(gòu)、推力機(jī)構(gòu)、膠筒封堵機(jī)構(gòu)、錨定丟手機(jī)構(gòu)四個(gè)功能單元組成。

2.1 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)常見(jiàn)井下作業(yè)工具定位方式的分析，和鋼絲投送的投送方式的特殊性，確定了本設(shè)計(jì)的定位機(jī)構(gòu)采用倒爪定位的方式。

由于油管內(nèi)截面是規(guī)則的圓形，所以倒爪裝置只要采用對(duì)稱的兩點(diǎn)式結(jié)構(gòu)就可以保證向上定位牢固。倒爪定位管柱內(nèi)，只能是掛在兩根油管在油管接箍?jī)?nèi)的間隙處，即油管下端面上。并且，由于鋼絲投送式堵塞器本體需要通過(guò)配水器，這就要求倒爪可收縮也可彈出，需要采用彈簧支撐的固定方式。

為了不影響鋼絲投送式堵塞器的其他機(jī)構(gòu)工作，設(shè)計(jì)方案將定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在了堵塞器的最下部分，包括定位錨爪、定位錨、固定螺帽、封頭螺帽。封頭螺帽前端設(shè)計(jì)成45°錐面，可有效防止鋼絲投送式堵塞器在下井過(guò)程中遇卡。

2.2 推力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鋼絲投送式堵塞器、電纜投送式堵塞器的分析，可以歸納出以下幾種常用推力（坐封力）產(chǎn)生方式，如表1所示。

表1 堵塞器推力產(chǎn)生方式

由于研究方向定位于鋼絲投送式，因此，儲(chǔ)存高壓氣體和爆炸作用就不能夠采用。而純粹使用鋼絲拉力作為坐封推力，對(duì)地面設(shè)備要求太高，對(duì)鋼絲強(qiáng)度要求也高。綜合考慮后，決定采用井下壓力作為堵塞器的坐封力提供源。采用雙級(jí)膠筒密封結(jié)構(gòu)，因此，活塞行程需要較長(zhǎng)。其行程要能夠提供2級(jí)膠筒的壓縮行程，加上卡瓦錨定的動(dòng)作行程。設(shè)計(jì)完成的推力機(jī)構(gòu)包括液壓活塞及活塞套筒。

2.3 膠筒封堵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

已知國(guó)內(nèi)采用鋼絲投送的堵塞器產(chǎn)品，普遍采用鋼絲拉力或井下壓力作為膠筒壓縮的推動(dòng)力，而井壓動(dòng)力的堵塞器產(chǎn)品又都是單級(jí)膠筒的堵塞器。單級(jí)膠筒在封堵油管過(guò)程中，如出現(xiàn)封堵面不均勻、點(diǎn)線漏封，就會(huì)堵塞失敗。

為了增加堵塞的成功率，本設(shè)計(jì)采用雙級(jí)膠筒結(jié)構(gòu)，以保證在一級(jí)膠筒不能封堵嚴(yán)密的情況下，另一級(jí)膠筒可以封堵成功。這樣首先從膠筒作用的單一概率上，提高了油管壓力封堵成功率。

由于井下水溫較高，可接近80℃，所以在膠筒的材質(zhì)選擇上，選擇了丁晴橡膠。丁晴橡膠的理論失效溫度為120～150℃（具體根據(jù)材料配比）。

為了提高橡膠封堵后的抗壓能力，對(duì)本堵塞器膠筒加工的硬度要求規(guī)定為洛氏硬度65～75°。

初步設(shè)計(jì)完成的膠筒封堵機(jī)構(gòu)包括花瓣壓盤、膠筒、單面壓盤、雙面壓盤、防倒扣套筒、防倒扣瓦牙、卸扣封頭。

2.4 錨定丟手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下工具常用的卡瓦結(jié)構(gòu)為扇形圓弧截面的滑塊卡瓦，這種卡瓦的好處是作業(yè)用線寬，能夠有效卡緊在油、套管內(nèi)壁。但是，本堵塞器因?yàn)橐ㄟ^(guò)配水器，所以設(shè)計(jì)直徑較小，如采用寬弧面卡瓦，卡瓦固定的套體有效壁厚和強(qiáng)度就會(huì)減低，且弧面過(guò)寬，在強(qiáng)大的推力作用下，容易發(fā)生劈裂。

考慮到以上問(wèn)題，本堵塞器設(shè)計(jì)中使用了窄弧面卡瓦形式。同時(shí)，為了保證堵塞器錨定卡緊的同軸度，采用了3片卡瓦等分圓周的分布方式?？ㄍ邤U(kuò)張方式采用斜槽滑動(dòng)的擴(kuò)張方式。

由于本鋼絲投送式堵塞器與上部工具連接采用的是端部銷孔連接，銷孔設(shè)計(jì)在投送固定套上，所以投送固定套即為丟手裝置。銷孔連接時(shí)，采用銅剪釘代替銷釘。丟手時(shí)利用上部工具中的震擊器對(duì)堵塞器產(chǎn)生震擊力，使剪釘受銷孔剪切力作用而剪斷，從而丟手堵塞器。

安裝完成的鋼絲投送式堵塞器完整結(jié)構(gòu)，從右至左機(jī)構(gòu)順序?yàn)槎ㄎ粰C(jī)構(gòu)、推力機(jī)構(gòu)、膠筒封堵機(jī)構(gòu)、錨定丟手機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鋼絲投送式堵塞器總體結(jié)構(gòu)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共進(jìn)行了10井次的鋼絲投堵試驗(yàn)，均為注水井投堵，由于現(xiàn)場(chǎng)井況復(fù)雜，共成功封堵了8口井，其余2口井由于井內(nèi)結(jié)蠟過(guò)多，堵塞器封堵壓力不成功，但溢流明顯受控。

試驗(yàn)結(jié)論：整套鋼絲投堵工藝可以有效實(shí)施，發(fā)揮應(yīng)有作用，控制系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，絞車?yán)︼@示正常，試驗(yàn)中拉力范圍在3.1～5.11kN，與鋼絲在井內(nèi)長(zhǎng)度有關(guān)，符合試驗(yàn)的實(shí)際情況。試驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，一次封堵成功率達(dá)到80%，封堵效果良好。對(duì)帶壓作業(yè)提供了有效的前期支持，保證了作業(yè)的順利施工。

4 結(jié)語(yǔ)

研制的鋼絲投送式堵塞器整體功能包括油管內(nèi)定位、壓力供給、封堵井壓、錨定卡緊、丟手等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼絲投送封堵在油管內(nèi)任意位置的目的，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好，具備推廣使用前景。