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        海上油田新型機(jī)械防污染工具研究與應(yīng)用

        2019-03-09 12:48:24羅建偉劉傳剛李瑞豐王堯王世強(qiáng)張?jiān)岂Y
        石油鉆采工藝 2019年6期
        關(guān)鍵詞:凡爾洗井管柱

        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。

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