肖述琴 衛(wèi)亞明 楊旭東 劉雙全 陳勇

1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

井下節(jié)流技術(shù)是保障蘇里格氣田“中低壓集氣”模式平穩(wěn)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)［1-2］。隨著氣田的深入開發(fā)，氣井產(chǎn)量逐漸下降，低產(chǎn)氣井普遍出現(xiàn)積液，為了充分發(fā)揮氣井產(chǎn)能，實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)井筒內(nèi)的井下節(jié)流器進(jìn)行打撈。目前常用的井下節(jié)流器主要由帶齒的卡瓦卡定、“V”型組合膠筒密封，存在打撈時(shí)解卡工藝復(fù)雜、部分卡瓦咬死油管難以解卡、打撈張力大等問題［3-8］。為了保障氣井中后期排水采氣工藝的實(shí)施，研發(fā)了接箍座落式井下節(jié)流裝置。該裝置依靠卡爪伸入油管接箍槽間隙定位，缸體內(nèi)外壓力差推動(dòng)膠筒變形密封，高強(qiáng)度耐磨配產(chǎn)嘴節(jié)流，打撈時(shí)卡爪收縮解卡，膠筒回縮解封，不下滑，鋼絲作業(yè)可一趟完成打撈，解決了井下節(jié)流器難打撈的難題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，接箍座落式井下節(jié)流裝置打撈工藝簡(jiǎn)單，打撈成功率高，大大降低了人力物力消耗，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，有利于生產(chǎn)管理。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

接箍座落式井下節(jié)流裝置由錨定機(jī)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

接箍座落式井下節(jié)流裝置的工作步驟如下。

(1)接箍座落式井下節(jié)流裝置連接試井鋼絲工具串，以小于50 m/min的速度下入到井筒設(shè)計(jì)深度以上100 m位置時(shí)，加快速度下放至設(shè)計(jì)深度后剎車，裝置的丟手剪釘剪斷，座落爪從丟手管中釋放，卡爪進(jìn)入油管接箍間隙，打撈頸向下移動(dòng)撐開卡爪完成卡定；上提鋼絲，芯桿跟隨上行，坐封銷釘剪斷，坐封鎖爪解鎖，活塞套受井筒內(nèi)高壓擠壓密封筒變形完成密封，起出投送工具串，中心氣流通道暢通，完成裝置投放，如圖2所示。

圖2 接箍座落式井下節(jié)流裝置坐封狀態(tài)Fig.2 Setting state of collar seating type downhole throttling device

(2)打撈時(shí)通過鋼絲連接內(nèi)撈工具，抓住打撈頸后震擊，打撈頸向上移動(dòng)后卡爪失去支撐，裝置解卡；繼續(xù)上擊剪斷解封銷釘，解封爪解鎖上提打撈頸依次聯(lián)動(dòng)座落爪套、解封軸、解封套、連接套、擋環(huán)上移，密封筒上端不受力而恢復(fù)彈性形變，密封失效后上提鋼絲，容易撈出，如圖3所示。

圖3 接箍座落式井下節(jié)流裝置解卡狀態(tài)Fig.3 Unfreezing state of collar seating type downhole throttling device

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

(1)錨定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)現(xiàn)用卡瓦結(jié)構(gòu)打撈出現(xiàn)的難解卡、卡瓦卡死等問題，設(shè)計(jì)了無齒小卡爪錨定機(jī)構(gòu)，充分利用油管接箍槽間隙定位，將解卡方式由下?lián)艮D(zhuǎn)化為上擊，避免解卡時(shí)工具滑落井底，降低了解卡難度，實(shí)現(xiàn)鋼絲一趟作業(yè)完成打撈。

(2)密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)前期節(jié)流器傘型膠筒密封面積過大，錐體支撐擴(kuò)充膠筒導(dǎo)致打撈張力增大的情況，采用單個(gè)矩形膠筒設(shè)計(jì)，充分利用氣井高壓壓縮矩形膠筒實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)考慮密封過盈，缸體內(nèi)采用限位設(shè)計(jì)，降低了打撈阻力。

(3)解封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)節(jié)流器因密封膠筒無法回縮導(dǎo)致打撈困難的問題，設(shè)計(jì)了解封膠筒回縮機(jī)構(gòu)，打撈時(shí)上擊剪短解封銷釘，解封軸、解封套、連接筒、擋環(huán)等部件隨座落爪套一起上移，密封筒軸向受力解除而回縮，降低了打撈張力，提高了打撈可靠性。裝置中密封機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)在單膠筒防下滑節(jié)流器基礎(chǔ)上優(yōu)化［8］，主要對(duì)卡爪錨定機(jī)構(gòu)及剪銷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 卡爪錨定機(jī)構(gòu)模擬分析

卡爪錨定機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對(duì)節(jié)流裝置的坐封、解卡至關(guān)重要，利用有限元分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 受力分析及邊界條件確定

錨定機(jī)構(gòu)整體所受的載荷Ft，由節(jié)流器上下游壓差作用產(chǎn)生為

式中，F(xiàn)t為錨定機(jī)構(gòu)整體所受載荷，kN；Rn為油管的內(nèi)半徑，mm；Δp為節(jié)流器上下游壓差，MPa。

其他邊界條件：壓力載荷為芯軸錐體底面所受壓力(施加于芯軸下表面)，25 MPa；計(jì)算軸向載荷為75 kN；溫度條件根據(jù)工況條件確定，卡定系統(tǒng)溫度條件為150 ℃；在給定溫度條件下取金屬接觸面摩擦系數(shù)為0.15，且隨溫度變化不大；材料屬性為金屬材質(zhì)的彈性模量和強(qiáng)度屬性，隨溫度變化很小，具體參數(shù)見表1。

表1 有限元模型材料屬性參數(shù)Table 1 Material property parameters of finite element model

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

裝置初始設(shè)計(jì)參數(shù)為卡爪厚度2.5 mm、長度100 mm、接觸面角度45°，置于?73 mm油管中。根據(jù)初始結(jié)構(gòu)在工況下應(yīng)力分析結(jié)果(圖4)，卡爪與接箍的最大接觸應(yīng)力為601 MPa，超過材料屈服強(qiáng)度極限600 MPa，未達(dá)到塑性破壞強(qiáng)度極限689 MPa，屬于彈塑性接觸，因此需要優(yōu)化降低最大接觸應(yīng)力。

圖4 卡爪與接箍模型應(yīng)力分析Fig.4 Stress analysis of claw and collar model

通過改變卡爪厚度、長度和接觸面錐角等參數(shù)分別進(jìn)行建模和應(yīng)力分析，結(jié)果表明卡爪厚度和卡爪長度對(duì)卡爪與油管接箍的接觸應(yīng)力影響很小，接觸面錐角對(duì)接觸應(yīng)力影響敏感，隨著接觸面錐角增大，卡爪與接箍的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)接觸面錐角大于60°時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度極限，當(dāng)接觸面錐角小于30°時(shí)，最大應(yīng)力變化趨勢(shì)減小。考慮井筒腐蝕因素，卡爪材質(zhì)采用42CrMo，采用厚度、長度、接觸面錐角3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)為厚度4.5 mm、長度115 mm、角度 30°。

3 剪釘?shù)脑O(shè)計(jì)

為了使裝置投放、坐封和打撈順利，對(duì)丟手剪釘、坐封銷釘、解封銷釘進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)優(yōu)化，丟手剪釘采用2個(gè)?2 mm銅銷，通過控制鋼絲速度方式剪斷；坐封銷釘采用2個(gè)?3 mm銅銷，通過下震擊方式剪斷；解封銷釘采用2個(gè)?3.5 mm鋼銷，通過上震擊方式剪斷。按剪切強(qiáng)度分別計(jì)算這3組剪銷剪斷所需作用力分別1.2 kN、3.0 kN、5.0 kN，滿足鋼絲作業(yè)要求。

4 室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)完成裝置加工，如圖5所示。采用實(shí)心嘴代替配產(chǎn)嘴在模擬井內(nèi)進(jìn)行投放、打撈實(shí)驗(yàn)。4套實(shí)驗(yàn)裝置均一次投放成功，在35 MPa，120 ℃下保壓8 h密封無滲漏，打撈時(shí)平均上擊次數(shù)為6次，最大瞬時(shí)拉力為5.2 kN解封銷釘被剪斷，打撈后膠筒能夠回縮。

圖5 接箍座落式井下節(jié)流裝置實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Picture of collar seating type downhole throttling device

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

接箍座落式井下節(jié)流裝置在長慶氣田應(yīng)用38口井，坐封容易、密封正常；生產(chǎn)一段時(shí)間后打撈10口井，打撈成功率100%，且打撈最大拉力小于4 kN，平均用時(shí)40 min左右，打撈優(yōu)勢(shì)明顯，解決了常用節(jié)流器難打撈的問題，保障了氣井中后期排水采氣工藝的順利實(shí)施。

以蘇A井為例說明該裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。首先根據(jù)該氣井配產(chǎn)1.5×104m3/d選擇?1.8 mm配產(chǎn)嘴組裝裝置。隨后連接工具串，以50 m/min速度下深至1 400 m后，提速至160 m/min，下深至1 495 m后剎車，丟手銷釘剪斷，緩慢下放至1 505 m張力減小，裝置坐封于1 505 m，剪斷坐封銷釘，投放成功。開井，油壓由25 MPa降低至1.76 MPa，氣量1.56×104m3/d，氣井生產(chǎn)正常。生產(chǎn)457 d后，由于產(chǎn)量降低，井筒積液，需打撈節(jié)流裝置后實(shí)施排水采氣工藝。采用專用打撈工具抓住裝置后，向上震擊9次解卡成功，鋼絲拉力一直在1.8 kN至3.2 kN之間波動(dòng)，用時(shí)38 min，打撈成功。

6 結(jié)論

(1)對(duì)常規(guī)卡瓦式節(jié)流器的錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功研發(fā)了接箍座落式井下節(jié)流裝置，該裝置依靠卡爪卡于油管接箍槽間隙定位，改變了常用節(jié)流器卡瓦錨定的定位方式。

(2)卡爪錨定機(jī)構(gòu)、膠筒回縮解封機(jī)構(gòu)，解決了卡瓦式節(jié)流器難解卡、難解封、上提阻力大等問題。該裝置打撈時(shí)打撈工具與其對(duì)接卡爪收縮解卡，鋼絲作業(yè)一趟完成打撈，解決了卡瓦式節(jié)流器先解卡再打撈的工藝復(fù)雜問題。

(3)接箍座落式井下節(jié)流裝置不僅打撈工藝簡(jiǎn)單且打撈成功率高，大大降低了人力物力消耗，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，有利于生產(chǎn)管理，應(yīng)用前景廣闊。