新型超高壓封隔式尾管懸掛器研制

新型超高壓封隔式尾管懸掛器研制

0超高壓封隔式尾管懸掛器固井尾管技術(shù)是利用尾管懸浮液裝置將部分套筒懸掛在上套筒底部，進(jìn)行注水泥生產(chǎn)的一項(xiàng)技術(shù)。采用尾管固井技術(shù)可大大改善井下高溫、高壓鉆井水力條件,降低鉆機(jī)和鉆具載荷,為向更深地層鉆進(jìn)提供可靠的技術(shù)保證,同時(shí)還可節(jié)省大量昂貴的石油套管及油井水泥。僅套管費(fèi)用1項(xiàng),每口井就可節(jié)省資金幾十萬(wàn)元甚至上百萬(wàn)元。尾管懸掛器是尾管固井的關(guān)鍵設(shè)備,其性能好壞直接影響固井作業(yè)的成敗。然而尾管固井技術(shù)也存在某些不足之處,即:重疊段固井質(zhì)量難以保證,油、氣、水竄現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。造成這一問(wèn)題的原因是多方面的,如頂替效率、漏失及水泥收縮等原因。這些問(wèn)題的發(fā)生,嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)連續(xù)進(jìn)行和油井正常投產(chǎn),而在重疊段實(shí)施補(bǔ)水泥作業(yè),不僅花費(fèi)大,而且成功率較低。針對(duì)上述固井技術(shù)難題,中石化石油工程技術(shù)研究院于2009年研發(fā)了一種新型尾管固井工具——超高壓封隔式尾管懸掛器。它是在尾管懸掛器頂部設(shè)置了一套封隔器,在注完水泥后,將封隔器坐封,以封隔尾管頂部環(huán)空。它將懸掛器與超高壓尾管頂部封隔器進(jìn)行了有效集成,形成了包括懸掛器、封隔器及送入坐封工具等多個(gè)功能模塊在內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu),可在尾管坐掛、固井完成后,通過(guò)下壓鉆具來(lái)實(shí)現(xiàn)尾管重疊段頂部環(huán)空封隔。與常規(guī)尾管懸掛器相比,它具有坐掛、坐封2種功能,并可有效防止油氣水竄的發(fā)生。近年來(lái),塔河、川東北及海外的伊朗雅達(dá)、緬甸等區(qū)塊的高壓油氣層井越來(lái)越多,對(duì)井下工具的密封要求越來(lái)越高,常規(guī)的35MPa的封隔能力難以滿足作業(yè)要求,需要開發(fā)具有70MPa環(huán)空封隔能力的超高壓封隔器。尾管頂部封隔器是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵,常規(guī)結(jié)構(gòu)及密封材料的封隔器無(wú)法滿足超高壓密封要求,而且耐溫能力在120℃以內(nèi),很難滿足井下高溫、高壓條件下的固井作業(yè)需求。與國(guó)外的同類產(chǎn)品相比仍然具有較大差距,特別是在快速下入和大排量循環(huán)(1.2m3/min以上)過(guò)程中,存在提前坐封的風(fēng)險(xiǎn),安全可靠性與國(guó)外技術(shù)相比還有較大差距。1尾管頂部封隔器如何將封隔器和尾管懸掛器設(shè)計(jì)成有機(jī)整體并能承受70MPa以上的密封能力是本項(xiàng)目研究的關(guān)鍵,也是最大的難點(diǎn)。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求是:在有限的尺寸空間里既要實(shí)現(xiàn)封隔器與懸掛器的安全連接,還要保證整體強(qiáng)度,既要讓送入工具完成坐掛、丟手等任務(wù),還要完成封隔器的坐封。與常規(guī)懸掛器設(shè)計(jì)相比,存在以下難點(diǎn)。(1)多種功能單元集成難度大。雖然尾管懸掛器技術(shù)、封隔器技術(shù)等單項(xiàng)技術(shù)較為成熟,但是將懸掛機(jī)構(gòu)、封隔機(jī)構(gòu)、送入坐封工具和密封機(jī)構(gòu)等多種功能單元集成在一起的技術(shù)難度大。(2)封隔單元是尾管頂部封隔器實(shí)現(xiàn)超高壓封隔能力的核心部件,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓油氣井尾管重疊段環(huán)空的超高壓封堵,常規(guī)封隔機(jī)構(gòu)和橡膠材料難以滿足高溫、高壓的密封要求。(3)工具在入井后,需要進(jìn)行大排量循環(huán)洗井以及注水泥、替漿等作業(yè),因此需要封隔器具有較高的安全可靠性,在尾管快速下入和大排量循環(huán)時(shí)不會(huì)提前坐封,常規(guī)的組合膠筒式結(jié)構(gòu)在入井后進(jìn)行大排量循環(huán)時(shí),存在提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)。(4)尾管頂部封隔器坐封后,應(yīng)具有一定的軸向鎖緊能力,以便保持長(zhǎng)久的密封效果,且該鎖緊裝置應(yīng)能具備1500kN以上的鎖緊能力,常規(guī)的縮緊機(jī)構(gòu)和材料難以滿足要求。(5)封隔器坐封力設(shè)計(jì)要求高,在淺井中因鉆具質(zhì)量較輕,需要較小的坐封力,而在入井過(guò)程中較小的坐封力又可能導(dǎo)致工具提前坐封,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,同時(shí)保證順利坐封,又不至于提前坐封的難度較大。(6)對(duì)于尾管固井工具,現(xiàn)場(chǎng)操作者總是期望得到盡量大的過(guò)流面積,尤其在小間隙井中,過(guò)流面積更是廣為關(guān)注。但是,對(duì)于懸掛器等固井工具來(lái)說(shuō),強(qiáng)度和過(guò)流面積永遠(yuǎn)是一對(duì)矛盾,如何在有限的空間內(nèi),設(shè)計(jì)出強(qiáng)度和過(guò)流面積均滿足要求的封隔懸掛器是難點(diǎn)之一。下面分別針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究,并提出了相應(yīng)的解決方案。如結(jié)合多功能模塊集成難度大的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了由回接筒、坐封工具及封隔器組成的一體化工具,實(shí)現(xiàn)了坐掛、坐封2種功能;針對(duì)常規(guī)封隔式懸掛器封隔壓力低,在大排量循環(huán)及快速下入時(shí)可能會(huì)存在提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于金屬膨脹原理的組合密封結(jié)構(gòu)形式,保證在快速下入和大排量循環(huán)條件下,封隔器不會(huì)提前坐封。采用有限元方法對(duì)封隔系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),保證機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和過(guò)流面積均滿足設(shè)計(jì)要求,2多段式設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的下封系統(tǒng)在研究分析上述技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了整體技術(shù)方案,將懸掛、環(huán)空封隔、送入、內(nèi)部密封等多種功能單元有機(jī)集成,實(shí)現(xiàn)了懸掛、封隔2種功能,形成一套新型封隔尾管懸掛器技術(shù)方案(見(jiàn)圖1)。整個(gè)系統(tǒng)包括回接筒、送入坐封工具、密封總成、懸掛器總成和封隔器總成等。懸掛器位于整個(gè)系統(tǒng)的下端,向下連接尾管串,可實(shí)現(xiàn)尾管的坐掛,主要包括坐掛機(jī)構(gòu)、液力激發(fā)機(jī)構(gòu);尾管頂部封隔器連接在尾管懸掛器的上方,包括壓縮膨脹機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu),在固井完成后,通過(guò)回接筒將鉆具重力傳遞到膨脹錐體上,可將膨脹套筒膨脹至上層套管內(nèi)徑處,實(shí)現(xiàn)超高壓密封;密封總成連接在封隔器本體上方,內(nèi)部設(shè)有密封組件,在憋壓或注水泥時(shí)封隔送入工具與密封外殼間的環(huán)形間隙,另外在密封總成的頂部設(shè)計(jì)有左旋螺紋,通過(guò)倒扣螺母與送入工具相連,可實(shí)現(xiàn)尾管的送入和丟手;送入工具通過(guò)左旋螺紋連接在密封總成的上方,包括倒扣螺母、坐封機(jī)構(gòu)和防砂機(jī)構(gòu),用于尾管的送入、丟手及封隔器的坐封;回接筒位于送入工具的外環(huán),并連接在封隔器的坐封套上,可對(duì)送入工具起到保護(hù)作用。在固井完成后,送入工具的坐封機(jī)構(gòu)提出回接筒后,鉆具的重力通過(guò)回接筒壓在封隔器上,實(shí)現(xiàn)坐封;此外,還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要下入回接插頭,進(jìn)入到回接筒內(nèi)進(jìn)行密封,實(shí)現(xiàn)尾管回接固井作業(yè)。2.2坐掛及注水泥等封隔式尾管懸掛器的工作原理是:將封隔式尾管懸掛器及套管串下入井內(nèi)設(shè)計(jì)位置后,從井口投球,當(dāng)球到達(dá)球座位置時(shí),將循環(huán)通道堵死,繼續(xù)開泵,壓力開始上升,高壓液體可通過(guò)懸掛器本體上的傳壓孔進(jìn)入液缸內(nèi),當(dāng)壓力達(dá)到液缸剪釘額定壓力時(shí),剪釘被剪斷,高壓液體推動(dòng)液缸及卡瓦上行直至卡瓦楔緊在錐體與上層套管間。此時(shí),一旦下放尾管,便可實(shí)現(xiàn)坐掛。繼續(xù)憋壓,剪斷球座剪釘,球及球座體下落,循環(huán)暢通后,正轉(zhuǎn)鉆具,卸開送入工具與尾管間的反扣,實(shí)施送入鉆具與尾管的“脫手”。注水泥作業(yè),當(dāng)注水泥量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),壓入鉆桿膠塞,之后鉆桿膠塞將與連接在中心管下部的尾管膠塞復(fù)合,當(dāng)復(fù)合膠塞運(yùn)行至球座位置時(shí),碰壓。上提鉆具約1.5m,再下放,如果鉆具不能放回原位置,則證明坐封擋塊已經(jīng)打開,繼續(xù)下壓300～500kN,可坐封尾管封隔器。根據(jù)需要,可進(jìn)行環(huán)空驗(yàn)封。3管道封隔與管道安裝在整個(gè)尾管懸掛封隔系統(tǒng)中,尾管頂部封隔器是核心部件,也是整個(gè)工具能否順利實(shí)現(xiàn)環(huán)空超高壓封隔的關(guān)鍵。封隔器總成包括封隔器錐體、膨脹套筒和鎖緊卡簧等。當(dāng)工具下到設(shè)計(jì)位置、注水泥完成并要坐封時(shí),通過(guò)下壓送入工具上的坐封擋塊下壓回接筒+鎖緊套,當(dāng)壓力達(dá)到120kN時(shí),剪釘剪斷,繼續(xù)下壓,壓力作用在膨脹機(jī)構(gòu)上,于是膨脹套筒在軸向力的作用下徑向脹大,當(dāng)其外徑接觸到上層套管內(nèi)壁時(shí)實(shí)現(xiàn)坐封。鎖緊機(jī)構(gòu)可將膨脹套筒鎖定在封隔位置。為了防止封隔器在入井過(guò)程中提前坐封,在鎖緊套上設(shè)計(jì)了剪釘,將坐封剪切力控制在150kN左右。同時(shí),在送入工具上設(shè)置了隔離套,防止尾管入井過(guò)程中在塞帽處遇阻時(shí),外部阻力不會(huì)作用在回接筒上,以免提前坐封封隔器。另外,為了達(dá)到超高壓的密封能力,并能在大排量循環(huán)時(shí)不會(huì)提前漲封,設(shè)計(jì)了金屬-橡膠組合式膨脹機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2),使用可膨脹金屬作為橡膠的骨架,其連接強(qiáng)度和密封能力均得以提高。3.1膨脹坐封單元的工作原理金屬膨脹尾管頂部封隔器是基于金屬實(shí)體膨脹技術(shù)進(jìn)行封隔器坐封。在其膨脹機(jī)構(gòu)中,可膨脹金屬材料的優(yōu)選和熱處理、金屬與橡膠的結(jié)構(gòu)及壁厚優(yōu)選是關(guān)鍵技術(shù)。膨脹套筒由金屬支撐骨架和膠筒組成,金屬支撐骨架選用的材料為可膨脹金屬材料,在金屬支撐骨架的外表面有不同方向延伸的支撐齒,支撐齒的作用是固定外表面橡膠,并在封隔器坐封后,起到防突作用,防止橡膠在底部高壓流體作用下被擠出。膨脹錐體外表設(shè)計(jì)有若干凸起,用于擠壓、支撐膨脹套筒,與膨脹套筒一起起到封隔環(huán)空的作用。當(dāng)需要坐封封隔器時(shí),下壓膨脹錐體并使之下行,對(duì)膨脹套筒進(jìn)行擠壓使其徑向發(fā)生膨脹,膨脹套筒的金屬骨架與其外表面硫化的橡膠一起膨脹,當(dāng)接觸到上層套管時(shí),下壓力會(huì)隨之增大,同時(shí)將膨脹套筒擠進(jìn)膨脹錐體和外層套管間,從而封堵封隔器與外層套管之間環(huán)空。膨脹錐體下行后,在內(nèi)鎖緊防退裝置的作用下不回退,同時(shí)也對(duì)膨脹套筒起到支撐作用,從而保證了尾管頂部封隔器的密封效果和封隔長(zhǎng)久性。圖3是膨脹坐封單元的分析模型。圖4是封隔器坐封后的應(yīng)力云圖。從圖可以看出,膨脹后脹錐下端及膨脹套筒內(nèi)部應(yīng)力最大,橡膠段及外層套管內(nèi)部應(yīng)力較小。3.2材料力學(xué)性能膨脹套筒采用可膨脹管材制成,利用管材金屬塑性的應(yīng)變特性,通過(guò)膨脹錐體對(duì)膨脹套筒施加軸向力,并通過(guò)兩者相對(duì)的錐角可將軸向力轉(zhuǎn)化為徑向力,使膨脹套筒能夠徑向膨脹。膨脹后的膨脹管材及橡膠會(huì)對(duì)外層套管產(chǎn)生一定擠壓,使兩者之間產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力,從而形成超高壓密封能力。基于以上分析,對(duì)可膨脹套筒材料的主要力學(xué)性能有如下要求:①要具有一定的屈服強(qiáng)度,變形抗力盡可能小,這樣可使膨脹力相應(yīng)減小;②應(yīng)具有良好的塑性,易于變形;③具有良好的抗磨損、抗破裂性能。根據(jù)上述材料選取原則,初步優(yōu)選了3種材料,力學(xué)性能如表1所示。從表可以看出,所選材料屈服強(qiáng)度較低,抗拉強(qiáng)度也不高,硬度偏低,伸長(zhǎng)率很高,可利于其塑性變形。為驗(yàn)證理論優(yōu)選的材料的膨脹性能,分別用這3種材料加工了膨脹套筒,并進(jìn)行了坐封性能試驗(yàn),由試驗(yàn)獲得的坐封力來(lái)優(yōu)選合適的可膨脹金屬材料。試驗(yàn)中,3種材料均能順利膨脹,但是材料A和B膨脹時(shí)需要下壓的軸向力較大,分別為460和420kN,而材料C所需軸向力為230kN,滿足設(shè)計(jì)中小于300kN的要求。3.3性能評(píng)價(jià)3.3.1封隔器的密封為了考察金屬膨脹式尾管頂部封隔器的環(huán)空封隔能力,專門對(duì)封隔器的膨脹單元、鎖緊單元進(jìn)行了封隔性能試驗(yàn)。將組裝好的送入工具和封隔器部分放在試驗(yàn)臺(tái)架上,試驗(yàn)機(jī)軸向加載至260kN時(shí)停止施加壓力,完成坐封操作。連接試驗(yàn)泵,加壓至77MPa,穩(wěn)壓15min,無(wú)滲漏,證明封隔器密封良好。將整個(gè)試驗(yàn)裝置放入油浴加熱裝置中,加溫至150℃,保溫4h,重復(fù)壓縮試驗(yàn),施加軸向壓力至200kN,封隔器行程達(dá)到設(shè)計(jì)位置。接試驗(yàn)泵,加壓至77MPa,穩(wěn)壓15min,無(wú)滲漏,證明封隔器密封良好。與常溫試驗(yàn)結(jié)果相比,高溫下坐封軸向力要小,這是因?yàn)樵诟邷厍闆r下橡膠性能有所變化,硬度和強(qiáng)度變低,相應(yīng)坐封力也變小。將試驗(yàn)裝置中的送入工具和回接筒卸掉,從左端加一擋板頂住封隔裝置本體,隔5d后再次從右端加壓至77MPa,穩(wěn)壓15min,無(wú)滲漏,鎖緊座未發(fā)生軸向位移。說(shuō)明該封隔裝置在經(jīng)過(guò)數(shù)日放置后,未發(fā)生松弛現(xiàn)象,密封能力仍能達(dá)到77MPa,其鎖緊能力已達(dá)到1500kN。剖開上層套管發(fā)現(xiàn),膨脹套筒均勻膨脹,橡膠表面完好。試驗(yàn)中各種性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。3.3.2耐沖蝕試驗(yàn)研究常規(guī)結(jié)構(gòu)的封隔器在現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)排量過(guò)大,存在提前坐封的風(fēng)險(xiǎn),在施工過(guò)程中,常常將循環(huán)排量限制在1.1m3/min以內(nèi)。為了考察該封隔器允許通過(guò)的最大循環(huán)排量,在中原油田的全尺寸科學(xué)試驗(yàn)井進(jìn)行了封隔器的大排量耐沖蝕試驗(yàn)。在1.7m3/min的循環(huán)排量情況下,循環(huán)24h,封隔器表面保持完好,無(wú)損傷;對(duì)循環(huán)后的封隔器進(jìn)行坐封性能試驗(yàn),憋壓70MPa,穩(wěn)壓30min,壓力不下降,密封效果良好,說(shuō)明封隔器具有良好的耐循環(huán)、耐沖蝕能力,滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。4固井回收試驗(yàn)新研制的超高壓尾管封隔懸掛器在伊朗雅達(dá)、土庫(kù)曼斯坦等區(qū)塊先后推廣應(yīng)用29套,應(yīng)用成功率達(dá)到98%以上。下面僅以F8井為例介紹其應(yīng)用情況。2011年5月在F8井進(jìn)行了超高壓封隔式尾管懸掛器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該井是伊朗雅達(dá)油田一口直井,井深4396m,上層套管為?244.5和?250.8mm,鋼級(jí)為T95-1、SM2535-110,壁厚分別為13.8和15.9mm,下深3919m;尾管?177.8mm,鋼級(jí)SM2535-110,扣型VAM-TOP扣,壁厚11.5mm,尾管串長(zhǎng)度624m;鉆井液密度1.71g/cm3,送入鉆具外徑127.0mm,內(nèi)徑108.6mm,長(zhǎng)度3771.83m,鉆余2.3m,內(nèi)容積34.98m3,總替漿量46.07m3,尾管稱重(含頂驅(qū))450kN。該井尾管固井的技術(shù)難點(diǎn)是:懸掛器處溫度高(116℃左右),地層壓力高,鉆井液密度高達(dá)到1.71g/cm3,這對(duì)尾管懸掛器的性能提出了更高要求。為此,采用金屬膨脹封隔式尾管懸掛器,保證能使用較大的循環(huán)排量,可防止封隔器提前坐封;同時(shí),所有密封件均采用耐高溫橡膠,且在懸掛器入井過(guò)程中嚴(yán)格控制管串的下入速度。試驗(yàn)過(guò)程中,下尾管、投球、坐掛、丟手判斷及注水泥作業(yè)均正常,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)相符。在注完水泥后,上提送入工具2.2m,再下壓350kN坐封封隔器,其中封隔器剪釘剪斷力為150kN。順利提出送入工具,起鉆3柱后循環(huán)。之后,對(duì)F8井進(jìn)行套管試壓,最大試驗(yàn)壓力24.5MPa,穩(wěn)壓5min,壓力不降,證明封隔器密封良好。5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果(1)將封隔器、懸掛器有機(jī)地結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)出集懸掛、封隔功能于一體的新型固井工具,可用于解決