氣體驅(qū)動中途測試封隔器研制

陳 勇， 李 陳， 盧 齊， 劉眉伶, 溫 馨

1西南石油大學(xué)機電工程學(xué)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 3四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院

0 引言

氣體鉆井技術(shù)是開發(fā)低滲、低孔、水敏性油氣藏最有效的手段之一。中途測試是為了確定目的層的完井方法而采用的一種工藝措施，在隨鉆過程中及時了解儲層性質(zhì)、油氣水產(chǎn)量等情況[1-5]。目前氣體鉆井已廣泛應(yīng)用于新疆、四川、青海等地區(qū)，針對低孔低滲地層極大的提高了鉆井速度，節(jié)約了鉆井成本，取得了良好的效果。與之相應(yīng)的氣體鉆井-中途測試技術(shù)也急需跟進。常規(guī)中途測試時必須將井筒工作介質(zhì)轉(zhuǎn)化成液體，且中途測試結(jié)束后，需要將井筒工作介質(zhì)重新轉(zhuǎn)化成氣體，并進行干燥井筒。氣體鉆井—中途測試技術(shù)可在井筒氣體條件下直接進行測試，有效縮短了施工周期，避免了地層水敏垮塌、卡鉆等井下復(fù)雜[6-9]。氣體鉆井-中途測試技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵工具是滿足在井筒氣體條件下的封隔器和具備氣密封功能的鉆桿。近年來，國內(nèi)外均研發(fā)了性能可靠的各種尺寸的油鉆桿產(chǎn)品，滿足中途測試管柱密封性施工需要[10-12]。然而，封隔器均是針對井筒為液相介質(zhì)條件設(shè)計的，無法在井筒純氣體環(huán)境下坐封及正常工作[13-15]。

針對上述問題，本文對氣體環(huán)境下的封隔器工作性能進行深入分析，研制了一種氣體驅(qū)動的封隔器，采用大推力雙氣缸氣驅(qū)坐封結(jié)構(gòu)，能夠為封隔器提供持續(xù)穩(wěn)定的坐封推力,配合鉆桿送入，滿足氣體鉆井中途測試作業(yè)工藝要求。

1 氣體驅(qū)動中途測試封隔器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 封隔器結(jié)構(gòu)

氣體驅(qū)動中途測試封隔器由連接軸、卡瓦滑套、上鋸齒卡瓦、支撐膠筒、密封膠筒、下鋸齒卡瓦、鎖環(huán)套、內(nèi)鎖環(huán)等部分組成，見圖1。該封隔器具有錨定丟手、回接機構(gòu)、磨銑解封結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為全通徑，封隔器主體上下有螺紋，上端螺紋與錨定密封連接，錨定密封螺紋為氣密封油管螺紋。封隔器液缸傳壓孔設(shè)計在心軸上，封隔器下端連接有剪銷式坐封盲堵，坐封時無需投球而直接加壓坐封。封隔器有專用的內(nèi)鎖環(huán)機構(gòu)，坐封后可固定膠筒及上、下卡瓦。封隔器錨定密封及4牙/寸的鋸齒左旋螺紋，正轉(zhuǎn)管柱實現(xiàn)脫手，下壓管柱實現(xiàn)回接。封隔器卡瓦為可伸縮螺紋卡瓦機構(gòu)，卡瓦外徑小于封隔器本體，螺紋牙頂角60°，下鉆時卡瓦回縮至封隔器本體內(nèi)，坐封時卡瓦張開。該封隔器可應(yīng)用于帶壓作業(yè)井，通過旋轉(zhuǎn)防噴器帶壓入井及帶壓下鉆。

圖1 氣體驅(qū)動中途測試封隔器結(jié)構(gòu)圖

1.2 封隔器工作原理

氣體驅(qū)動中途測試封隔器工作原理為封隔器帶壓入井，在全井筒氣相介質(zhì)條件下管柱內(nèi)加壓坐封封隔器，打掉盲堵，進行中途測試，測試結(jié)束后錨定脫手、回插以及磨銑解封封隔器。該封隔器配備了數(shù)量不等的啟動坐封銷釘，可根據(jù)配置不同的銷釘數(shù)量來改變啟動坐封壓力。

該封隔器坐封方式為分階段加壓坐封，第一階段加壓8 MPa,剪短銷釘啟動坐封，穩(wěn)壓5 min；第二階段以2 MPa為梯度從8 MPa加壓到18 MPa，每梯度穩(wěn)壓2 min，加壓到18 MPa后穩(wěn)壓15 min；第三階段加壓至25 MPa剪斷盲堵，恢復(fù)管柱內(nèi)全通徑。

該封隔器丟手程序為上提并右旋管柱(在井下錨定密封上需右旋10～12 圈)，建議上提噸位為3～5 t，則錨定密封總成與封隔器本體脫開。

該封隔器二次回接程序為管柱二次下井與封隔器回接時，隨著管柱下放重量的增加，使錨定密封裝置的螺紋嚙合到封隔器頂部螺紋中，錨定密封裝置將與封隔器安全鎖定。

2 氣體驅(qū)動中途測試封隔器膠筒有限元分析

2.1 雙氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣體驅(qū)動中途測試封隔器采用雙氣缸結(jié)構(gòu)，目的是在氣體驅(qū)動坐封過程中提供更強、更穩(wěn)定的推力，避免膠筒因受力劇烈變化產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致的損壞。

雙氣缸結(jié)構(gòu)有效作用面積為6 900 mm2，設(shè)計最大坐封壓力為18 MPa。雙氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計明顯增大了氣體的受力面積，能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的推力，彌補了氣體間歇式的給力方式，以保證氣體驅(qū)動坐封時膠筒受力均勻，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中。氣體驅(qū)動封隔器坐封壓力變化如圖2所示。

圖2 封隔器坐封壓力變化圖

2.2 膠筒模擬模型建立

按給定工況施加載荷，推動密封結(jié)構(gòu)軸向位移，密封結(jié)構(gòu)中的橡膠部件受到軸向擠壓后產(chǎn)生徑向膨脹變形，從而形成封閉環(huán)空。膠筒模擬模型參數(shù)設(shè)置為套管內(nèi)徑108.6 mm，封隔器外徑99 mm，膠筒內(nèi)徑58.5 mm。

2.3 膠筒分析結(jié)果

(1)加載10 T(15 MPa)膠筒分析結(jié)果。加載力為10 T(1 5 MPa)時模擬封隔器坐封，膠筒膨脹與套管貼合效果良好，整體形變均勻，如圖3所示。模擬計算結(jié)果顯示膠筒結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為7.2 MPa，徑向密封面與套管貼合面接觸壓強為4.3 MPa，見圖4、圖5。膠筒結(jié)構(gòu)整體軸向、徑向、內(nèi)部凹槽都表現(xiàn)為均勻變形，與管壁貼合面徑向受力均勻，未出現(xiàn)局部異常的應(yīng)力集中。

圖3 坐封時膠筒模擬結(jié)果圖

圖4 膠筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

圖5 徑向密封面與套管貼合面接觸壓強圖

(2)加載70 T(105 MPa)膠筒分析結(jié)果。加載力為70 T(105 MPa)時，模擬封隔器極限承壓105 MPa。模擬計算結(jié)果顯示膠筒結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為74 MPa，徑向密封面與套管貼合面接觸壓強為94 MPa。膠筒結(jié)構(gòu)整體軸向、徑向、內(nèi)部凹槽都表現(xiàn)為均勻變形，與管壁貼合面徑向受力均勻，未出現(xiàn)局部異常的應(yīng)力集中。

3 氣體驅(qū)動中途測試封隔器室內(nèi)實驗

3.1 錨定密封螺紋驗證實驗

實驗設(shè)備為微控電子萬能試驗機、錨定短節(jié)1件、回接接頭1件，見圖6。實驗過程為將回接接頭及錨定短節(jié)垂直放置在微控電子萬能試驗機上，從錨定短節(jié)上端從小到大逐漸施加垂直向下的推力，使錨定短節(jié)上的螺紋在推力作用下嚙合到回接接頭的內(nèi)螺紋上，然后將錨定短節(jié)與回接接頭直接右端10～12圈脫開。

圖6 錨定密封螺紋驗證實驗裝置

實驗結(jié)果表明在推力作用下錨定短節(jié)上的螺紋能順利嚙合到回接接頭的內(nèi)螺紋上，平均所需力為700 N(第1扣)～5 000 N(第12扣)，右旋10～12圈錨定短節(jié)與回接接頭順利脫開。

3.2 鋸齒卡瓦坐掛強度實驗

圖7為氣體封隔器樣機1套。實驗過程為將上、下鋸齒卡瓦組裝在實驗裝置上，再將實驗裝置裝入套管內(nèi)，從通徑逐級加壓，撐開卡瓦并鑲?cè)胩坠?此過程與封隔器坐封過程完全一致)，在卡瓦撐開并鑲?cè)胩坠艿倪\動過程中，內(nèi)鎖塊同步運動，將卡瓦鎖定在坐掛位置，然后從套管兩端對實驗裝置施加60 t拉力，從而驗證上、下卡瓦的坐掛強度。

實驗結(jié)果為上、下鋸齒卡瓦在31 MPa壓力下可鑲?cè)?140 mm套管，內(nèi)鎖塊同步運動將卡瓦鎖定在坐掛位置，卡瓦鑲?cè)胩坠芎笸耆珴M足60 t坐掛強度。實驗完成后卡瓦鋸齒表面無任何損傷，見圖8；內(nèi)鎖塊及心軸上的鎖緊螺紋在實驗后無任何損傷，見圖9；套管在實驗過程中無任何變形。

圖8 氣體封隔器樣機

圖8 實驗后卡瓦表面鋸齒

圖9 實驗后心軸表面質(zhì)量

3.3 剪銷剪切值實驗

實驗設(shè)備為微控電子萬能試驗機、拉式剪銷剪切裝置1套。實驗過程為抽取了10件同批次的每種剪銷在微控電子萬能試驗機上進行剪切力實驗，驗證剪銷力學(xué)性能是否滿足使用要求， 剪切力實驗合格后，再安裝到對應(yīng)產(chǎn)品上進行剪切壓力值實驗。實驗結(jié)果表明本套封隔器總共有三種剪銷，剪切力及剪切壓力值均滿足使用要求。

3.4 坐封球座實驗

實驗方法為首先組裝工具，工具垂直放置，將球投入坐落在球座上，然后對球座以上進行35 MPa密封性能實驗(封隔器坐封壓力)，最后繼續(xù)加壓剪斷剪銷，驗證剪銷剪切壓力值。

實驗結(jié)果為在室溫條件下35 MPa球座密封性能實驗合格，無滲漏及壓降；8支剪銷剪切壓力值為49 MPa，單支剪銷剪切壓力值為5.66±0.45 MPa，滿足使用要求。

3.5 封隔器整體性能評價

從條形孔觀察，上、下卡瓦鑲?cè)胩坠?，膠筒與套管壁完全貼緊坐封。從套管兩端對實驗裝置施加60 t拉力，上、下卡瓦鑲?cè)胩坠芎笸耆珴M足60 t坐掛強度。實驗完成后卡瓦鋸齒表面、內(nèi)鎖塊及心軸上的鎖緊螺紋均無任何損傷，證明該封隔器能夠在氣體環(huán)境下完成坐封過程并正常工作。

4 結(jié)論

(1)研制了一種氣體驅(qū)動坐封封隔器，能夠配合鉆桿送入，滿足氣體鉆井中途測試作業(yè)。

(2)設(shè)計的雙液缸結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)全井筒氣體介質(zhì)條件下封隔器正常坐封，并且壓力變化持續(xù)穩(wěn)定。

(3)設(shè)計的內(nèi)鎖定環(huán)機構(gòu)可以將膠筒及上、下卡瓦鎖定在坐封狀態(tài)，防止封隔器承壓時膠筒滑移，從而保證密封性；設(shè)計的剪銷式盲堵機構(gòu)可以通過繼續(xù)加壓的方式剪斷銷釘，打掉盲堵，保持管柱全通徑。

(4)該封隔器提高了鉆井—測試—完井效率，避免了水敏性地層垮塌、泥包卡鉆，減少了儲層污染，節(jié)約作業(yè)時間和成本，可直接將探井轉(zhuǎn)為生產(chǎn)井，加快油氣井勘探開發(fā)步伐。