羅建偉 劉傳剛 李瑞豐 王堯 王世強(qiáng) 張?jiān)岂Y

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

海上油田常用電泵采油的生產(chǎn)方式，檢泵、換泵是最頻繁的修井作業(yè)，在起管柱前通常要進(jìn)行洗井，對(duì)于地層能量不足的油井，洗井時(shí)洗井液常常會(huì)漏失至地層，造成儲(chǔ)層污染以及復(fù)產(chǎn)見油期延長(zhǎng)。海上油田常規(guī)應(yīng)用的機(jī)械防污染工具存在使用時(shí)間長(zhǎng)、容易失效的風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為注酸通道開啟壓力不準(zhǔn)，在大斜度井中丟手困難等。為解決上述問題，研制了一種新型機(jī)械防污染工具，避免洗井液漏失至地層，一次下入可確保在多次洗井時(shí)有效，修井成本低［1-4]。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

新型機(jī)械防污染工具與丟手工具配套使用，丟手工具結(jié)構(gòu)如圖1 所示。與常規(guī)的機(jī)械丟手工具相比，液壓丟手作業(yè)更加簡(jiǎn)單，可適用于大斜度井和水平井。丟手工具具有扭矩傳遞功能，上部管柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可將扭矩傳遞到新型機(jī)械防污染工具上，內(nèi)部彈性爪不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，大大降低彈性爪遇卡的風(fēng)險(xiǎn)；油管內(nèi)投入鋼球加壓剪切銷釘后，球座推動(dòng)內(nèi)套下移，彈性爪失去內(nèi)部支撐，上提管柱即可將丟手工具的接箍、油管短節(jié)、彈性爪、鋼球、球座、連接環(huán)和限位環(huán)起出，打撈筒及其他部件留在井下,便于后期打撈。

圖 1 丟手工具Fig. 1 Releasing tool

新型機(jī)械防污染工具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，先通過丟手工具將新型機(jī)械防污染閥和定位密封插入到頂部封隔器內(nèi)完成丟手。新型機(jī)械防污染工具最上部設(shè)置有小凡爾，洗井時(shí)洗井液被小凡爾封堵，無法漏失至地層。機(jī)械防污染工具中部和下部設(shè)有大凡爾，由于海上油田通常洗井壓力在3 MPa 以內(nèi)，因壓縮彈簧預(yù)緊安裝，洗井液無法壓開大凡爾漏失至地層。后期油井需要酸化時(shí)，注入壓力高于8 MPa 即可保證酸液壓開2 個(gè)大凡爾并進(jìn)入地層。注酸通道開啟壓力可根據(jù)油井實(shí)際虧空情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常情況下，注酸通道開啟壓力高于虧空液柱壓力4 MPa即可阻止洗井液漏失至地層。在正常生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)液從機(jī)械防污染工具下部進(jìn)入到內(nèi)部夾壁腔，通過橋式凡爾閥座內(nèi)的環(huán)形通道，經(jīng)過大凡爾罩夾壁腔，最后頂開小凡爾流入至套管中，通過電泵舉升至地面管線［5-7]。與原有的機(jī)械防污染工具相比，新型機(jī)械防污染工具增設(shè)了扶正機(jī)構(gòu)，使新工具適用于大斜度井和水平井；彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具有較好的防腐性能和良好的調(diào)節(jié)性能，新工具壽命大大延長(zhǎng)。

圖 2 新型機(jī)械防污染工具Fig. 2 The new mechanical anti-contamination tool

1.2 作業(yè)步驟

工具入井時(shí)，工具串組合(從下至上)：配重油管+定位密封工具+新型機(jī)械防污染工具+液壓丟手+油管，完成工具串丟手后，下入電泵管柱即可進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，如圖3 所示。作業(yè)步驟：(1)工具丟手。當(dāng)工具串下入井中直至定位密封工具插入到封隔器內(nèi)實(shí)現(xiàn)密封定位后，從油管投入?57 mm 鋼球，井口加壓10 MPa，丟手工具剪釘被剪切，上提管柱即完成新型機(jī)械防污染工具的投放。(2)正常生產(chǎn)。下入電泵生產(chǎn)管柱，啟泵生產(chǎn)。產(chǎn)液通過配重油管內(nèi)腔進(jìn)入，流經(jīng)新型機(jī)械防污染工具內(nèi)部，頂開上部小凡爾，進(jìn)入到上部套管中從而被泵入至地面管道。(3)洗井。常規(guī)洗井或換管柱作業(yè)時(shí)，洗井壓力不足以打開酸化通道，洗井液不會(huì)漏失至地層。(4)酸化。進(jìn)行酸化施工時(shí)，環(huán)空泵入酸液，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后酸化通道開啟，停注后在壓縮彈簧回復(fù)力的作用下酸化通道自動(dòng)關(guān)閉。

圖 3 生產(chǎn)管柱Fig. 3 Production string

1.3 注酸通道壓縮彈簧性能校核

壓縮彈簧的自由長(zhǎng)度為398 mm，安裝后長(zhǎng)度372 mm，設(shè)計(jì)壓縮彈簧最小工作負(fù)荷為8 139 N，最大工作負(fù)荷為11 000 N。通過調(diào)節(jié)筒調(diào)節(jié)彈簧壓縮量，使注酸通道開啟壓力為8 MPa，此時(shí)測(cè)量調(diào)節(jié)筒與大凡爾罩之間的距離從63 mm 縮減至35 mm，此時(shí)彈簧壓縮后的長(zhǎng)度為344 mm，與設(shè)計(jì)值347 mm接近，其中注酸通道液壓作用的直徑為?36 mm，則計(jì)算彈簧所受力為

式中，P 為作用在大凡爾上的壓差，Pa；A 為大凡爾上有效的液壓作用面積，m2。

彈簧受力與最小工作負(fù)荷8 139 N 基本一致，彈簧性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 丟手工具彈性爪仿真分析

設(shè)計(jì)的彈性爪機(jī)構(gòu)共有12 個(gè)爪，沿中心軸線均勻分布（見圖4）。彈性爪所用材料為40CrMnMo，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為780 MPa，摩擦因數(shù)0.1。利用SolidWorks 軟件建立彈性爪的三維模型。

圖 4 彈性爪三維模型Fig. 4 3D model of elastic claw

將彈性爪模型導(dǎo)入ANSYS 軟件，建立三維有限元分析模型，其網(wǎng)格劃分采用六面體單元。在彈性爪右端施加固定約束，在彈性爪左端爪牙受力斜面處施加3×105N 的拉力。圖5 為彈性爪結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，可以看出，彈性爪最大等效應(yīng)力發(fā)生在爪根部位置，最大應(yīng)力達(dá)到789 MPa，由于爪根部位置是斜面和圓弧面相交，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其影響面積較小，可通過倒圓處理避免彈性爪在受拉時(shí)變形失效。通常現(xiàn)場(chǎng)彈性爪承受拉力不足1×105N，所承受的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于789 MPa，可以現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖 5 彈性爪靜載下應(yīng)力分布云圖Fig. 5 Stress distribution cloud image of elastic claw under static load

建立彈性爪在脫手時(shí)的有限元分析模型，如圖6所示。由于外套為剛體，不進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且為了提高計(jì)算效率，截取1/4 剖面部分進(jìn)行分析計(jì)算。彈性爪軸向運(yùn)動(dòng)過程中，測(cè)量拉力變化曲線如圖7 所示。彈性爪從外套擴(kuò)徑處拔出，作用力逐漸增大；當(dāng)彈性爪受到最大程度的擠壓時(shí)，作用力瞬間增至最大，其最大軸向載荷為372 N，整個(gè)彈性爪軸向載荷為1 488 N。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，該軸向載荷不會(huì)對(duì)定位密封等井下工具產(chǎn)生誤動(dòng)作［8-10]。

1.5 技術(shù)特點(diǎn)

(1)在結(jié)構(gòu)上，新型機(jī)械防污染工具采用全金屬密封設(shè)計(jì)，工具適用150 ℃以上高溫井，且優(yōu)化了扶正機(jī)構(gòu)，工具適用大斜度井和水平井。

圖 6 彈性爪1/4 剖面部分三維模型Fig. 6 3D model of 1/4 elastic claw section

圖 7 彈性爪軸向拉力載荷變化曲線Fig. 7 Variation of axial tensile load of elastic claw

(2)在彈簧調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)方面，新型機(jī)械防污染工具增設(shè)了軸承，解決了防污染工具在調(diào)節(jié)壓縮彈簧壓縮量時(shí)，大凡爾與大凡爾座發(fā)生摩擦易造成金屬密封失效的問題；同時(shí)對(duì)彈簧進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取特殊的防腐處理工藝，使工具具有較好的防腐性能和良好的調(diào)節(jié)性能，工具壽命大大延長(zhǎng)。

(3)在工具投入方式方面，采用配套的液壓丟手工具可完全避免機(jī)械丟手工具在大斜度井中丟手困難的問題。

1.6 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1、表2 所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤海NB35-2 油田某水平井深1 491 m，防砂頂部封隔器深1 237 m，該處井斜86°，套管尺寸?224 mm。新型機(jī)械防污染工具連接在丟手管柱上，組裝下入丟手管柱：?73 mm 斜口引鞋+?73 mm UP TBG 倒角油管+?152.4 mm 定位密封+變扣(?88.9 mm UP TBG BOX×?73 mm TBG PIN)+新型機(jī)械防污染工具+配套丟手工具+變扣(?73 mm TBG PIN×?88.9 mm UP TBG BOX)+?88.9 mm UP TBG 油管短節(jié)+?88.9 mm UP TBG 油管。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程：(1)下入丟手管柱，其中新型機(jī)械防污染閥下入深度1 237 m，井斜為86°。(2)下鉆到位，測(cè)試上提管柱懸重320 kN，下放管柱懸重310 kN；下壓管柱30 kN 試插入定位密封，過提管柱50 kN 拔出；井口配管，連接管線，正循環(huán)補(bǔ)液。(3)再次插入確認(rèn)管柱到位后，關(guān)閉環(huán)形防噴器，正擠，持續(xù)開泵，泵壓升至8 MPa 后，壓力保持穩(wěn)定，新型機(jī)械防污染工具注酸通道開啟。(4)停泵泄壓，井口投入?57 mm 鋼球，連接管線，開泵正循環(huán)送球，泵排量5 m3/h，泵壓0.5 MPa，累計(jì)正循環(huán)40 min，泵壓逐漸升高；升至10.5 MPa，脫手成功。(5)停泵泄壓，上提管柱3 m，關(guān)閉環(huán)形防噴器，持續(xù)開泵，泵壓升至8 MPa 后，壓力保持穩(wěn)定，表明新型機(jī)械防污染工具注酸開啟壓力穩(wěn)定。該井本次作業(yè)下入新型機(jī)械防污染工具，應(yīng)用前漏失量195 m3，作業(yè)后無漏失，含水恢復(fù)期僅為6 d(上次修井含水恢復(fù)期為25 d)，防污染工具下入后，儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯。

表 1 丟手工具技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of releasing tool

表 2 機(jī)械防污染工具技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of mechanical anticontamination tool

3 結(jié)論

(1)壓縮彈簧及其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理是引起機(jī)械防污染工具注酸通道開啟壓力不準(zhǔn)確的主要原因。

(2)研究中的新型機(jī)械防污染工具與配套的液壓丟手工具，適用于在大斜度和水平井中應(yīng)用；注酸通道開啟壓力調(diào)節(jié)范圍為8～16 MPa，能滿足海上油田應(yīng)用的需求。

(3)該新型防污染工具的不足之處在于生產(chǎn)時(shí)壓縮彈簧與產(chǎn)液接觸，長(zhǎng)時(shí)間彈簧會(huì)發(fā)生腐蝕，影響注酸通道開啟壓力，彈簧的防腐工藝和彈簧的腔體密封設(shè)計(jì)將作為下一步的研究方向。