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，進行注水泥生產(chǎn)的一項技術(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,降低鉆機和鉆具載荷,為向更深地層鉆進提供可靠的技術(shù)保證,同時還可節(jié)省大量昂貴的石油套管及油井水泥。僅套管費用1項,每口井就可節(jié)省資金幾十萬元甚至上百萬元。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)象時有發(fā)生。造成這一問題的原因是多方面的,如頂替效率、漏失及水泥收縮等原因。這些問題的發(fā)生,嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)連續(xù)進行和油井正常投產(chǎn),而在重疊段實施補水泥作業(yè),不僅花費大,而且成功率較低。針對上述固井技術(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,通過下壓鉆具來實現(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,塔河、川東北及海外的伊朗雅達、緬甸等區(qū)塊的高壓油氣層井越來越多,對井下工具的密封要求越來越高,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技術(shù)的關(guān)鍵,常規(guī)結(jié)構(gòu)及密封材料的封隔器無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)過程中,存在提前坐封的風(fēng)險,安全可靠性與國外技術(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)計成有機整體并能承受70MPa以上的密封能力是本項目研究的關(guān)鍵,也是最大的難點。項目的設(shè)計要求是:在有限的尺寸空間里既要實現(xiàn)封隔器與懸掛器的安全連接,還要保證整體強度,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)計相比,存在以下難點。(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)等單項技術(shù)較為成熟,但是將懸掛機構(gòu)、封隔機構(gòu)、送入坐封工具和密封機構(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現(xiàn)超高壓封隔能力的核心部件,為了實現(xiàn)對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)時不會提前坐封,常規(guī)的組合膠筒式結(jié)構(gòu)在入井后進行大排量循環(huán)時,存在提前坐封的風(fēng)險。(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)的縮緊機構(gòu)和材料難以滿足要求。(5)封隔器坐封力設(shè)計要求高,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)計中,同時保證順利坐封,又不至于提前坐封的難度較大。(6)對于尾管固井工具,現(xiàn)場操作者總是期望得到盡量大的過流面積,尤其在小間隙井中,過流面積更是廣為關(guān)注。但是,對于懸掛器等固井工具來說,強度和過流面積永遠是一對矛盾,如何在有限的空間內(nèi),設(shè)計出強度和過流面積均滿足要求的封隔懸掛器是難點之一。下面分別針對以上技術(shù)難點進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(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題,設(shè)計了由回接筒、坐封工具及封隔器組成的一體化工具,實現(xiàn)了坐掛、坐封2種功能;針對常規(guī)封隔式懸掛器封隔壓力低,在大排量循環(huán)及快速下入時可能會存在提前坐封的風(fēng)險問題,設(shè)計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,封隔器不會提前坐封。采用有限元方法對封隔系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,保證機構(gòu)的強度和過流面積均滿足設(shè)計要求,2多段式設(shè)計2.1系統(tǒng)的下封系統(tǒng)在研究分析上述技術(shù)難點的基礎(chǔ)上,設(shè)計了整體技術(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集成,實現(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(見圖1)。整個系統(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。懸掛器位于整個系統(tǒng)的下端,向下連接尾管串,可實現(xiàn)尾管的坐掛,主要包括坐掛機構(gòu)、液力激發(fā)機構(gòu);尾管頂部封隔器連接在尾管懸掛器的上方,包括壓縮膨脹機構(gòu)、鎖緊機構(gòu),在固井完成后,通過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)計有左旋螺紋,通過倒扣螺母與送入工具相連,可實現(xiàn)尾管的送入和丟手;送入工具通過左旋螺紋連接在密封總成的上方,包括倒扣螺母、坐封機構(gòu)和防砂機構(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,可對送入工具起到保護作用。在固井完成后,送入工具的坐封機構(gòu)提出回接筒后,鉆具的重力通過回接筒壓在封隔器上,實現(xiàn)坐封;此外,還可根據(jù)現(xiàn)場需要下入回接插頭,進入到回接筒內(nèi)進行密封,實現(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)計位置后,從井口投球,當(dāng)球到達球座位置時,將循環(huán)通道堵死,繼續(xù)開泵,壓力開始上升,高壓液體可通過懸掛器本體上的傳壓孔進入液缸內(nèi),當(dāng)壓力達到液缸剪釘額定壓力時,剪釘被剪斷,高壓液體推動液缸及卡瓦上行直至卡瓦楔緊在錐體與上層套管間。此時,一旦下放尾管,便可實現(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,實施送入鉆具與尾管的“脫手”。注水泥作業(yè),當(dāng)注水泥量達到設(shè)計值時,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)合膠塞運行至球座位置時,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,可進行環(huán)空驗封。3管道封隔與管道安裝在整個尾管懸掛封隔系統(tǒng)中,尾管頂部封隔器是核心部件,也是整個工具能否順利實現(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)計位置、注水泥完成并要坐封時,通過下壓送入工具上的坐封擋塊下壓回接筒+鎖緊套,當(dāng)壓力達到120kN時,剪釘剪斷,繼續(xù)下壓,壓力作用在膨脹機構(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)壁時實現(xiàn)坐封。鎖緊機構(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程中提前坐封,在鎖緊套上設(shè)計了剪釘,將坐封剪切力控制在150kN左右。同時,在送入工具上設(shè)置了隔離套,防止尾管入井過程中在塞帽處遇阻時,外部阻力不會作用在回接筒上,以免提前坐封封隔器。另外,為了達到超高壓的密封能力,并能在大排量循環(huán)時不會提前漲封,設(shè)計了金屬-橡膠組合式膨脹機構(gòu)(見圖2),使用可膨脹金屬作為橡膠的骨架,其連接強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體膨脹技術(shù)進行封隔器坐封。在其膨脹機構(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,下壓膨脹錐體并使之下行,對膨脹套筒進行擠壓使其徑向發(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,下壓力會隨之增大,同時將膨脹套筒擠進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,同時也對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,通過膨脹錐體對膨脹套筒施加軸向力,并通過兩者相對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對外層套管產(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?；谝陨戏治?對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,所選材料屈服強度較低,抗拉強度也不高,硬度偏低,伸長率很高,可利于其塑性變形。為驗證理論優(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,并進行了坐封性能試驗,由試驗獲得的坐封力來優(yōu)選合適的可膨脹金屬材料。試驗中,3種材料均能順利膨脹,但是材料A和B膨脹時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)計中小于300kN的要求。3.3性能評價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,專門對封隔器的膨脹單元、鎖緊單元進行了封隔性能試驗。將組裝好的送入工具和封隔器部分放在試驗臺架上,試驗機軸向加載至260kN時停止施加壓力,完成坐封操作。連接試驗泵,加壓至77MPa,穩(wěn)壓15min,無滲漏,證明封隔器密封良好。將整個試驗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,施加軸向壓力至200kN,封隔器行程達到設(shè)計位置。接試驗泵,加壓至77MPa,穩(wěn)壓15min,無滲漏,證明封隔器密封良好。與常溫試驗結(jié)果相比,高溫下坐封軸向力要小,這是因為在高溫情況下橡膠性能有所變化,硬度和強度變低,相應(yīng)坐封力也變小。將試驗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,無滲漏,鎖緊座未發(fā)生軸向位移。說明該封隔裝置在經(jīng)過數(shù)日放置后,未發(fā)生松弛現(xiàn)象,密封能力仍能達到77MPa,其鎖緊能力已達到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。試驗中各種性能指標(biāo)都達到了設(shè)計要求。3.3.2耐沖蝕試驗研究常規(guī)結(jié)構(gòu)的封隔器在現(xiàn)場循環(huán)排量過大,存在提前坐封的風(fēng)險,在施工過程中,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的最大循環(huán)排量,在中原油田的全尺寸科學(xué)試驗井進行了封隔器的大排量耐沖蝕試驗。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,無損傷;對循環(huán)后的封隔器進行坐封性能試驗,憋壓70MPa,穩(wěn)壓30min,壓力不下降,密封效果良好,說明封隔器具有良好的耐循環(huán)、耐沖蝕能力,滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。4固井回收試驗新研制的超高壓尾管封隔懸掛器在伊朗雅達、土庫曼斯坦等區(qū)塊先后推廣應(yīng)用29套,應(yīng)用成功率達到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井進行了超高壓封隔式尾管懸掛器的現(xiàn)場應(yīng)用。該井是伊朗雅達油田一口直井,井深4396m,上層套管為?244.5和?250.8mm,鋼級為T95-1、SM2535-110,壁厚分別為13.8和15.9mm,下深3919m;尾管?177.8mm,鋼級SM2535-110,扣型VAM-TOP扣,壁厚11.5mm,尾管串長度624m;鉆井液密度1.71g/cm3,送入鉆具外徑127.0mm,內(nèi)徑108.6mm,長度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)難點是:懸掛器處溫度高(116℃左右),地層壓力高,鉆井液密度高達到1.71g/cm3,這對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,所有密封件均采用耐高溫橡膠,且在懸掛器入井過程中嚴(yán)格控制管串的下入速度。試驗過程中,下尾管、投球、坐掛、丟手判斷及注水泥作業(yè)均正常,各項技術(shù)參數(shù)與設(shè)計相符。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F8井進行套管試壓,最大試驗壓力24.5MPa,穩(wěn)壓5min,壓力不降,證明封隔器密封良好。5現(xiàn)場試驗及結(jié)果(1)將封隔器、懸掛器有機地結(jié)合在一起,設(shè)計出集懸掛、封隔功能于一體的新型固井工具,可用于解決