鄧志宇，綦耀光，李忠城，蔣連全

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司煤層氣研發(fā)中心， 山西 太原 030020）

（2.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院， 山東 東營(yíng) 257062）

（3.山東臨朐乾成石油機(jī)械有限公司， 山東 臨朐 262600）

隨著我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的不斷深入，煤層氣抽采量正逐年遞增，煤層氣開(kāi)發(fā)已經(jīng)從勘探向商業(yè)化開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變。目前，使用有桿泵進(jìn)行排水采氣是主要的排采方式，由于煤層氣井產(chǎn)水量變化大、有煤粉（砂）等固性顆粒產(chǎn)出、產(chǎn)出液的潤(rùn)滑性差等因素，煤層氣井的排采設(shè)備無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，一般比常規(guī)油氣田短[1,2,9,10]。在煤層氣排采過(guò)程中卡泵、埋泵等設(shè)備故障和排采參數(shù)調(diào)整影響煤層氣的生產(chǎn)，就需要修井作業(yè)才能進(jìn)行有效修復(fù)[3,4,5]。一方面由于煤層氣是生儲(chǔ)共層的低壓儲(chǔ)層，排采終止后由于產(chǎn)出水在井底的聚集，井筒中液面升高，將導(dǎo)致煤層的重新濕潤(rùn)引起煤粉脫落造成產(chǎn)氣通道的堵塞，從而使得產(chǎn)氣井儲(chǔ)層污染，導(dǎo)致產(chǎn)能下降[6,9]，這就要求排采設(shè)備發(fā)生故障后，要盡快進(jìn)行修井恢復(fù)排采。另一方面，目前煤層氣井小修作業(yè)方式主要分為兩種：常規(guī)小修作業(yè)和不壓井小修作業(yè)，常規(guī)小修作業(yè)主要采用壓井修井或放空修井，這兩種修井方式會(huì)產(chǎn)生“壓敏”或“速敏”效應(yīng)，傷害煤層氣井的儲(chǔ)層；不壓井小修作業(yè)，雖然避免了壓井或放空作業(yè)，但是其修井作業(yè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于修井停止排采，導(dǎo)致動(dòng)液面上升過(guò)高，造成“事實(shí)壓井”，均使修井后煤層氣井的產(chǎn)能難以恢復(fù)到修井前水平[5,6]。為此，針對(duì)煤層氣井井口壓力較低的特點(diǎn)，本文在認(rèn)真分析煤層氣井作業(yè)工藝流程的基礎(chǔ)上，提出一種適應(yīng)煤層氣井小修作業(yè)的氣胎不壓井作業(yè)裝置，該裝置經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，可以實(shí)現(xiàn)煤層氣井的不壓井、不放空保壓作業(yè)，對(duì)于降低煤層氣井由于修井導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害，具有重要意義。

1 基于氣胎封井器的輔助不壓井作業(yè)裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，油田常規(guī)油氣井不壓井作業(yè)系統(tǒng)多為輔助式不壓井作業(yè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[7,8]，該系統(tǒng)一般需要大修作業(yè)設(shè)備輔助，才能完成作業(yè)要求。其封閉壓力較高，在數(shù)十兆帕以上，最高達(dá)到115MPa，為了實(shí)現(xiàn)如此高壓密封的要求，通常采用多級(jí)密封裝置并設(shè)計(jì)油管輔助起升、壓力下入裝置，因此，該系統(tǒng)設(shè)備較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要時(shí)間較長(zhǎng)，作業(yè)成本高，主要用于常規(guī)油氣田高壓氣井、注水井等井修井作業(yè)的要求。不適用煤層氣井小修作業(yè)快速、低成本作業(yè)的要求。

圖1 輔助式不壓井作業(yè)設(shè)備

分析煤層氣小修作業(yè)，發(fā)現(xiàn)其具有如下特點(diǎn)：(1)要求作業(yè)時(shí)效快。一般應(yīng)該在2～3天內(nèi)完成修井作業(yè)。(2)密封壓力低。目前，煤層氣井密封壓力一般不大于2MPa，對(duì)于致密氣井，密封壓力也一般不大于8MPa。(3)與小修作業(yè)設(shè)備配套。目前，煤層氣田所使用的作業(yè)設(shè)備，一般為普通小修作業(yè)設(shè)備，起升高度有限，不具備安裝鉆臺(tái)的空間。

為此，根據(jù)煤層氣井的特點(diǎn)，兼顧致密砂巖氣等非常規(guī)天然氣田開(kāi)發(fā)的需要，提出了基于小修作業(yè)設(shè)備的簡(jiǎn)易不壓井作業(yè)裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其基本構(gòu)成有：氣胎環(huán)形防噴器、雙閘板防噴器、壓力氣瓶等，關(guān)鍵部件為氣胎環(huán)形防噴器，視現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，可選擇有無(wú)安裝雙閘板防噴器的必要，成為有雙閘板防噴器和無(wú)雙閘板防噴器兩種結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是不設(shè)計(jì)強(qiáng)行起下油管裝置，使用小修作業(yè)機(jī)即可完成不壓井作業(yè)，可以大幅度降低作業(yè)成本，提升作業(yè)效率，滿足煤層氣井小修作業(yè)的需要。

圖2 基于氣胎防噴器的輔助不壓井作業(yè)裝置

該輔助不壓井作業(yè)裝置的基本性能為：氮?dú)馄孔畲髿庠磯毫Γ?MPa；氮?dú)馄咳莘e：40L；氣胎式過(guò)油管防噴器氣腔容積：通徑φ180時(shí)7L，通徑φ120時(shí)5L；通徑φ180mm時(shí)密封壓力為3MPa，通徑φ120mm時(shí)，密封壓力為5～6MPa。

2 氣胎防噴器的選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在該輔助不壓井作業(yè)裝置的方案中，環(huán)形防噴器是關(guān)鍵部件，在這里，選擇了帶有壓力控制的氣胎式環(huán)形防噴器+錐形防噴器的組合結(jié)構(gòu)。雖然目前常用的環(huán)形防噴器很多，按膠芯的結(jié)構(gòu)和形狀分類主要有：球形防噴器、錐形防噴器和筒形防噴器。但由于煤層氣井具有儲(chǔ)層“低壓、低滲透率、低飽和度”的三低特性，目前防噴器在煤層氣不壓井修井作業(yè)中主要存在以下問(wèn)題：

(1)多采用液壓控制，膠芯退讓性差，通過(guò)油管接箍困難，膠芯磨損嚴(yán)重，需要固定卡瓦和游動(dòng)卡瓦交替作業(yè)完成起油管接箍的起下，增加了修井作業(yè)時(shí)間和作業(yè)成本，影響煤層氣井作業(yè)后的產(chǎn)能恢復(fù)。

(2)密封壓力高，煤層氣井口壓力一般為0.5-4MPa，遠(yuǎn)低于常規(guī)油氣井的井口壓力，現(xiàn)存防噴器的密封壓力高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用較大的作業(yè)空間大，同時(shí)也提高了設(shè)備成本。

(3)泄壓困難，在需要更換膠芯或開(kāi)放井口時(shí)，需進(jìn)行泄壓操作，液壓防噴器泄壓慢，等待時(shí)間長(zhǎng)，影響作業(yè)效率。

可見(jiàn)，現(xiàn)有的環(huán)形防噴器并不完全適用于煤層氣井的不壓井修井作業(yè)，需要設(shè)計(jì)新型防噴器滿足煤層氣井快速修井、快速泄壓、封井壓力低的要求。

為了滿足快速起下油管、快速泄壓、封井壓力合理的工藝條件，專門設(shè)計(jì)了氣胎式過(guò)油管防噴器。該防噴器采用氣壓控制，密封壓力低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，膠芯退讓性好，該氣胎防噴器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，氣胎式環(huán)形防噴器的膠芯通過(guò)花鍵與殼體實(shí)現(xiàn)連接，可方便快速更換。利用氣胎的膨脹作用，通過(guò)氣壓控制的方式達(dá)到封閉油管和接箍的目的，氣胎結(jié)構(gòu)，有較好的退讓性，滿足起下油管、快速泄壓的要求，在使用時(shí)能夠順利通過(guò)油管接箍。該防噴器通過(guò)氮?dú)馄刻峁﹦?dòng)力源，體積小，攜帶方便，每充滿一次氮?dú)饪赏瓿梢淮巫鳂I(yè)的要求。當(dāng)氣胎式過(guò)油管防噴器裝在井口上面時(shí)，此時(shí)氣胎式過(guò)油管防噴器通徑為φ180mm，方便過(guò)懸掛器?；蜻x擇防噴器通徑為φ120mm，滿足過(guò)油管接箍的要求。

圖3 氣胎防噴器的整體結(jié)構(gòu)

該氣胎式過(guò)油管防噴器主要由壓蓋、自密封橡膠、膠芯骨架、膠芯、氣囊、自密封殼體、螺栓、上殼體、殼體、防突鐵心、下殼體等部件組成。

自密封殼體和上殼體通過(guò)花鍵連接，自密封橡膠起輔助密封作用。膠芯上下兩端均有防突鐵心和骨架，膠芯下骨架與下殼體也采用花鍵連接。在安裝膠芯時(shí)，先用頂絲實(shí)現(xiàn)膠芯與自密封殼體的固定連接，之后把膠芯連同自密封殼體插入殼體內(nèi)，并旋轉(zhuǎn)自密封殼體到定位銷孔對(duì)齊，利用銷軸固定。此時(shí)，密封殼體與上殼體、膠芯下骨架與下殼體都通過(guò)花鍵嚙合的方式實(shí)現(xiàn)了固定，并在各殼體接觸位置安裝密封圈，實(shí)現(xiàn)密封。同時(shí)為了保證安全，同時(shí)利用螺栓連接各個(gè)殼體。防噴器的連接方式采用花鍵連接替代螺栓連接，保證了膠芯在磨損后的快速更換，節(jié)約作業(yè)時(shí)間。

3 防噴器密封性能的有限元分析

3.1 有限元分析模型的建立

為了保證設(shè)計(jì)的可靠性，利用有限元的方法，建立膠芯和油管相互作用模型，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，得到了該氣胎式防噴器密封壓力隨控制壓力的變化關(guān)系，并分析了膠芯密封的過(guò)程和主要破壞位置，針對(duì)破壞情況提出了改善設(shè)計(jì)，提高膠芯的使用壽命，完善膠芯的設(shè)計(jì)。

利用有限元的方法對(duì)膠芯進(jìn)行模擬分析，選取1/4的膠芯、油管為分析對(duì)象。對(duì)膠芯、油管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，油管箍劃分網(wǎng)格如圖4所示。膠芯網(wǎng)格大小為5mm，油管網(wǎng)格大小為10mm。

圖4 膠芯、油管和油管接箍的網(wǎng)格劃分示意圖

在膠芯、油管剖面上施加對(duì)稱約束，膠芯上下斷面施加全約束，模擬膠芯上下端面被固定在防噴器殼體上，對(duì)油管上下表面施加Z軸方向的位移，模擬起升或下放狀態(tài)下油管沿Z軸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)膠芯外表面施加局部壓力，模擬隨著氣囊內(nèi)氣體壓力的增加對(duì)膠芯外表面施加的均布?xì)怏w壓力。所施加的氣胎壓力隨加載時(shí)間的變化如圖5。

圖5 施加氣胎壓力隨時(shí)間變化曲線

3.2 膠芯密封性能分析

對(duì)膠芯進(jìn)行加載分析得到膠芯對(duì)、油管應(yīng)力和位移云圖。當(dāng)氣胎內(nèi)壓力達(dá)到約0.22MPa時(shí)，膠芯和油管開(kāi)始接觸，圖6為壓力分別為0.2MPa和0.24MPa時(shí)的應(yīng)力云圖，當(dāng)控制壓力為0.2MPa時(shí)，膠芯和油管還未接觸，當(dāng)控制壓力達(dá)到0.24MPa時(shí)，膠芯開(kāi)始擠壓油管。

圖6 膠芯油管開(kāi)始接觸應(yīng)力云圖

隨著氣胎壓力的增大，膠芯不斷受到擠壓，但由于膠芯上端面受到防噴器殼體的約束，而內(nèi)表面受到油管的約束，所以膠芯不斷向上下兩端面堆積，當(dāng)控制壓力達(dá)到4MPa時(shí)，油管和膠芯的應(yīng)力如圖7所示，此時(shí)膠芯溢出量較大，由于油管有沿Z軸的位移，給膠芯內(nèi)表面向上的摩擦力，所以膠芯沿油管運(yùn)動(dòng)方向的堆積和溢流現(xiàn)象大于膠芯的另一端，出現(xiàn)明顯外鼓，這是對(duì)膠芯最主要的破壞方式之一。

圖7 膠芯溢出時(shí)應(yīng)力云圖

防噴器的密封能力主要取決于膠芯與油管的接觸壓力，當(dāng)接觸壓力過(guò)小時(shí)，不能達(dá)到有油套環(huán)空的密封要求，影響作業(yè)安全，當(dāng)接觸壓力過(guò)大時(shí)，容易對(duì)膠芯和油管造成破壞，影響膠芯使用壽命和作業(yè)進(jìn)度，所以對(duì)膠芯和油管的接觸應(yīng)力的分析至關(guān)重要。提取接觸面上典型的點(diǎn)，得到接觸壓力曲線隨控制壓力的變化如圖8，在0～1秒時(shí)，隨著控制壓力的增加，膠芯和油管開(kāi)始接觸并逐漸抱緊油管，實(shí)現(xiàn)油套環(huán)空的密封。隨后當(dāng)控制壓力穩(wěn)定在4MPa時(shí)，油管和膠芯的接觸壓力有輕微波動(dòng)，但基本穩(wěn)定在7MPa左右，能夠滿足煤層氣帶壓作業(yè)的封井要求。

圖8 接觸壓力隨時(shí)間變化關(guān)系圖

為了更好地觀察在接觸面上的接觸壓力，取迭代第55子步和第100子步時(shí)的接觸應(yīng)力云圖，如圖9所示。最高接觸壓力范圍在接觸面上呈帶狀分布，接觸壓力在膠芯中部較大，膠芯兩端較小，同時(shí)可以看出，隨著壓力的增大和油管位移量的累積，最高接觸壓力范圍沿油管運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，所以膠芯起密封作用的主要位置是在膠芯的中部偏沿油管運(yùn)動(dòng)方向。在此處密封壓力最大也最密集，膠芯承受的應(yīng)力大，而且此處膠芯溢流現(xiàn)象嚴(yán)重，所以膠芯中部偏油管運(yùn)動(dòng)方向的位置是膠芯最容易破壞的位置，這與防噴器實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常損壞的位置相同，符合實(shí)際使用情況。

圖9 接觸應(yīng)力沿接觸面分布圖

按照有限元分析果表明，使用氣胎環(huán)形密封器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣井油套環(huán)空的密封，實(shí)現(xiàn)快速修井的目的，在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了圖10所示的產(chǎn)品樣機(jī)，并在廠內(nèi)通過(guò)了密封、起下實(shí)驗(yàn)。

圖10 制造完成的氣胎環(huán)形防噴器

4 使用氣胎防噴器進(jìn)行煤層氣井小修不壓井作業(yè)的工藝

在使用氣胎防噴器配合小修作業(yè)機(jī)進(jìn)行煤層氣井不壓井作業(yè)時(shí)，其基本工藝為：起下抽油桿的工藝同傳統(tǒng)作業(yè)工藝，起油管工藝為：打開(kāi)井口，安裝氣胎防噴器；向油管內(nèi)投入堵塞器；操作空氣閥，控制系統(tǒng)打入高壓氣體經(jīng)殼體上的空氣閥進(jìn)入殼體和氣囊之間的空腔，氣囊外表面受到高壓氣體的作用力，壓迫膠芯產(chǎn)生大變形抱緊油管，實(shí)現(xiàn)密封；當(dāng)油管接箍通過(guò)時(shí)，由于油管接箍外徑較大，擠壓膠芯，使膠芯變形減少，膠芯壓迫氣囊從而壓迫殼體和氣囊之間的空腔，利用氣體的可壓縮性，使油管接箍順利通過(guò)。在作業(yè)中產(chǎn)生極少量的井底廢氣溢出，被壓蓋下的自密封橡膠阻攔，封存在自密封橡膠和膠芯之間，進(jìn)一步保證了井場(chǎng)作業(yè)的安全性。

下油管的程序與起油管相反，首先將帶有帶堵塞器的泵筒壓入井筒；調(diào)節(jié)氣胎防噴器的氣胎壓力，待入井油管的重量大于防噴器膠芯與油管的摩擦力后，與常規(guī)油管下入程序一樣，進(jìn)行油管下入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的使用如圖11所示，經(jīng)過(guò)某煤層氣田的試用，表明該以氣胎環(huán)形防噴器為主的作業(yè)系統(tǒng)，可以滿足煤層氣井不壓井作業(yè)的需要，極大的降低了煤層氣井作業(yè)因壓井造成的儲(chǔ)層損傷，對(duì)于提升煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)時(shí)間意義重大。

圖11 用氣胎防噴器進(jìn)行煤層氣井不壓井作業(yè)

5 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)油管功能的氣胎式防噴器，可以完成對(duì)煤層氣井不壓井作業(yè)的要求，可以得到如下結(jié)論：

(1)可實(shí)現(xiàn)快速修井，快速更換膠芯。通過(guò)筒形結(jié)構(gòu)和氣壓控制實(shí)現(xiàn)通過(guò)油管接箍，利用花鍵連接滿足快速更換膠芯的要求。

(2)適用于煤層氣帶壓修井。由于封井壓力低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可過(guò)油管接箍，減少修井時(shí)間，適用于要求封井壓力較低、作業(yè)時(shí)間短的煤層氣井帶壓作業(yè)。

(3)當(dāng)封閉壓力過(guò)大時(shí)，膠芯出現(xiàn)明顯的溢流現(xiàn)象，并沿油管移動(dòng)方向大量堆積，造成膠芯破壞，影響使用壽命。

(4)膠芯中部偏油管運(yùn)動(dòng)方向的位置是膠芯起密封作用的主要位置，也是最容易破壞的位置，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)膠芯該位置加強(qiáng)硫化，增加防突鐵芯，延長(zhǎng)膠芯使用壽命。

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