賀紅民,楊新宏,孫志忠,扈勇,平朋勃

(中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部,陜西 西安 710201)

0 引 言

電纜橋塞封堵是油氣井內(nèi)封層作業(yè)經(jīng)常采用的工程技術(shù),當(dāng)前油氣井使用的電纜橋塞座封工具主要是依靠火藥燃燒釋放出的能量作為動力源進(jìn)行井下橋塞封堵與丟手,但這種工藝施工中需要用到民爆物品,而民爆物品的采購、運(yùn)輸、儲存、使用不僅需要專用的防爆設(shè)備,同時還需要得到政府部門的審批,給生產(chǎn)組織帶來不便;另外火藥燃燒后產(chǎn)生的廢料若處置不當(dāng)容易污染環(huán)境、也不方便工具清洗保養(yǎng)[1]。因此有必要設(shè)計一種即既方便生產(chǎn)同時又安全環(huán)保的座封工具。

1 設(shè)計思路

橋塞座封是依靠提拉橋塞芯軸的中心連接桿與擠壓橋塞的套筒在外力作用下作相對運(yùn)動,從而使得橋塞上下卡瓦被椎體脹裂卡在套管內(nèi)壁上,同時橡膠筒被壓縮在環(huán)形空間內(nèi)將套管可靠封堵。在橋塞座封過程中,座封工具的中心連接桿與外部擠壓套筒的相對運(yùn)動是橋塞座封的關(guān)鍵因素[2]。

橋塞座封工具主要由點(diǎn)火裝置(打撈帽、點(diǎn)火接頭、點(diǎn)火頭)、動力裝置(燃燒室)、動力傳導(dǎo)裝置(活塞筒、上下活塞、活塞桿)及座封裝置(內(nèi)外連接筒、擠壓套筒)等部件組成;其中動力傳導(dǎo)裝置連接提拉橋塞芯軸的中心連接桿,座封裝置連接擠壓橋塞的外套筒。當(dāng)藥柱在燃燒藥室內(nèi)燃燒時會產(chǎn)生80～110 MPa左右的高壓氣體,以此推動活塞運(yùn)動,產(chǎn)生450 kN的推力,推動座封工具內(nèi)的活塞與缸套做相對運(yùn)動。從而擠壓橋塞膠筒完成座封和釋放。

考慮用其他外力推動工具的活塞和缸套做相對運(yùn)動,即可替代以火藥燃燒提供動力源的座封方式。到橋塞封堵作業(yè)時,油氣井內(nèi)普遍會灌滿液柱以保證井控安全。為此,設(shè)計一種憑借井筒內(nèi)液柱壓力作為動力源的液壓式橋塞座封工具成為可能。

主體思路設(shè)計為橋塞工具串下井過程中,壓井液與缸體內(nèi)部活塞隔離,活塞上下壓力平衡,與橋塞連接的中心連接桿和擠壓套筒保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)橋塞到達(dá)座封位置后,通過地面控制,壓井液進(jìn)入缸體內(nèi)部,使缸體內(nèi)外產(chǎn)生壓差,在壓差的作用下,工具中心連接桿和擠壓套筒做相對運(yùn)動,使下部連接的橋塞完成座封及丟手。

2 總體設(shè)計

液壓式座封工具包括驅(qū)動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)2個部分(見圖1)。驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機(jī)、進(jìn)水窗口和密封塞2部分組成,控制液壓系統(tǒng)與進(jìn)水窗口連通或隔離。工具串下井過程中隔離進(jìn)水窗口與液壓系統(tǒng),防止井內(nèi)流體從進(jìn)水窗口流經(jīng)活塞桿進(jìn)入壓縮缸內(nèi)。座封時打開進(jìn)水窗口,使液壓缸與井筒貫通。

液壓系統(tǒng)主要由液壓缸、活塞、擠壓套筒和中心連接桿等組成。活塞與活塞桿連接在一起,中心溝通?；钊麠U上端與驅(qū)動系統(tǒng)連接,下端通過中心連接桿與橋塞芯軸連接,與上端連接的驅(qū)動系統(tǒng)保持靜止不動的狀態(tài)。液壓缸通過剪切銷釘固定在中心連接桿上,并被活塞分成2段。上端通過活塞桿與外部隔離,下端與活塞空腔溝通形成壓縮缸,壓縮缸下端連接擠壓套筒推靠在橋塞上端。當(dāng)井筒內(nèi)的液體進(jìn)入活塞桿,并通過空腔進(jìn)入壓縮缸。井筒液柱壓力推動液壓缸整體沿活塞桿向下滑動。液壓缸與活塞桿相對運(yùn)動即可完成橋塞封堵和釋放(見圖2)。

3 液壓缸設(shè)計

3.1 增大液壓缸推靠力設(shè)計

液壓系統(tǒng)主要作用是為橋塞座封提供推力,動力來源為井筒內(nèi)液柱壓力。液壓缸與井筒溝通后,產(chǎn)生的最大壓力為壓縮缸上部液柱的壓力。如果僅憑液柱的壓力推活塞和壓縮缸,使工具的中心連接桿和擠壓套筒做相對運(yùn)動,那么活塞推靠力需要大于橋塞上下卡瓦擠壓橋塞膠皮的推靠力和橋塞釋放環(huán)的剪切力。以當(dāng)前常用的5in*非法定計量單位,1 in=0.254 cm,1 lbf=4.448 222 N,下同套管WBM型橋塞為例,座封力需要30 000 lbf**。假設(shè)只有一個液壓缸體,活塞直徑為100 mm,不考慮活塞桿的橫截面積。井內(nèi)液體密度為1×103kg/m3。根據(jù)物體在靜液柱下承受的壓力計算公式

F=pS=ρghS

(1)

式中,F為活塞推靠力;p為液壓缸所處位置的壓強(qiáng);S為活塞橫截面積;ρ為井筒內(nèi)液體密度;g為重力加速度;h為井筒內(nèi)液壓缸所處位置以上液柱高度。

可以計算出橋塞上部至少需要1 760 m的液柱。即這種液壓缸只能用作井深大于1 760 m的橋塞座封施工,顯然不能滿足井深較淺的橋塞封堵需求。

液壓缸產(chǎn)生的推靠力與液壓缸的橫截面以及井筒內(nèi)液柱的密度和高度有關(guān),如果要增大液壓缸的推靠力,同時井筒內(nèi)液柱的密度和高度不變,就只能增大液壓缸的橫截面。但是液壓缸的橫截面受井筒內(nèi)徑限制,不能橫向增加,所以考慮將多個液壓缸進(jìn)行串聯(lián)。

通過受力分析可見,液壓缸產(chǎn)生的推靠力會隨缸體的數(shù)量成倍數(shù)增加(見圖3)。將2個液壓缸串接后,液壓缸內(nèi)產(chǎn)生的推靠力增加了1倍。通過這種方法解決了在淺井內(nèi)使用液壓式橋塞座封工具進(jìn)行橋塞作業(yè)難題。

圖1 工具串下井示意圖 圖2 橋塞座封示意圖 圖3 液壓缸串接示意圖

液壓缸體的組裝個數(shù)計算

N=Eσ/[5(H/1000)]

(2)

式中,N為液壓缸體數(shù)量,按照向上取整的方法計算;E為橋塞或封堵器丟手拉斷力,t;σ為安全系數(shù),根據(jù)丟手拉斷力的加工誤差確定;H為封堵位置液面高度,m。

安全系數(shù)取1.3,具體根據(jù)需要提供的丟手拉斷力的加工誤差確定;液面垂直有效深度為液面到橋塞座封位置的垂直高度差;井內(nèi)液體為清水,缸體數(shù)N按照向上取整的方法計算。

3.2 延長橋塞座封時間設(shè)計

實(shí)踐證明橋塞座封過程中,需要有一定時間才能保證橋塞卡瓦完全支撐到井壁上,同時密封膠筒被擠壓脹大在井筒內(nèi)起到密封作用。如果座封時間太短,將可能出現(xiàn)橋塞卡瓦在沒有完全撐開的情況下,橋塞的剪切環(huán)被剪斷,橋塞與座封工具過早分離。橋塞的承壓顯然不會滿足施工需求,試壓時橋塞會發(fā)生滑動下移的現(xiàn)象。

多組串聯(lián)的液壓缸設(shè)計時考慮了這個因素,將液壓缸活塞內(nèi)的進(jìn)水通道進(jìn)行了特殊設(shè)計,保證下缸體內(nèi)的水灌滿后再進(jìn)入上部缸體,液壓缸壓力逐漸增加,延緩了座封時間。保證座封更加可靠。

4 安全分析

橋塞座封是通過活塞桿與液壓缸相對運(yùn)動而形成,所以座封工具下井過程中,活塞桿與液壓缸必須保持相對靜止?；钊麠U固定在驅(qū)動系統(tǒng)上,作業(yè)中不發(fā)生位移。液壓缸通過剪切銷釘固定在活塞桿上,當(dāng)作用在剪切銷釘上的剪切力大于剪切值時,液壓缸即可延活塞桿向下自由滑動(不考慮摩擦力)。

井筒內(nèi)靜止的液壓缸主要受重力、剪切銷釘?shù)闹瘟?浮力相對較小,可忽略),從運(yùn)動狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)還有一個向下的沖力。假設(shè)工具串運(yùn)行的速度為6 000 m/h,液壓缸的質(zhì)量為60 kg,突然停止用時0.1 s。根據(jù)動量守恒定律,剪切銷所受的沖擊力為1 t。如果用時更短,沖擊力將接近剪切銷的剪切力(通常為2.5 t),容易使橋塞受擠壓卡在井筒上。所以在電纜橋塞封堵施工中需要嚴(yán)格控制絞車速度,嚴(yán)禁絞車猛停、猛放。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

目前液壓式座封工具已在長慶油田進(jìn)行了下井試驗(yàn),施工順利,橋塞座封后試壓均能滿足現(xiàn)場施工要求。施工情況統(tǒng)計見表1。作業(yè)中為了提高作業(yè)成功率,在計算的液壓缸推送力與橋塞剪切力較為接近時會增加一個液壓缸體。

表1 液壓式橋塞座封工具上井作業(yè)統(tǒng)計表

6 結(jié) 論

(1) 液壓式座封工具通過液柱壓力可以實(shí)現(xiàn)橋塞座封,該設(shè)計思路科學(xué)合理。

(2) 液壓式座封工具的動力來源為井內(nèi)液注壓力,不需要民爆物品,一方面降低了施工成本,另一方面也方便了生產(chǎn)組織及工具保養(yǎng),有很大的推廣價值。

(3) 考慮到安全因素,建議工具下放速度按照《SY/T5299—2009電纜式橋塞、倒灰作業(yè)規(guī)程》相關(guān)速度要求嚴(yán)格執(zhí)行。

(4) 該工具的動力源為井內(nèi)液柱,因此在未明確井內(nèi)液面高度時不能采用該工藝進(jìn)行作業(yè)。

參考文獻(xiàn):

[1] 楊玉梅,鄭新生. 電動式電纜橋塞座封工具 [J]. 中國化工貿(mào)易,2013(8): 156-157.

[2] 周建國,郭元慶. 電纜橋塞技術(shù)在試油工藝中的應(yīng)用 [J]. 油氣井測試,1989(1): 66-79.