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        一種新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具的研究與應(yīng)用

        2020-10-09 01:46:44萬宏春李三喜李艷飛蔡斌葛俊瑞
        關(guān)鍵詞:閥瓣銷釘通徑

        萬宏春,李三喜,李艷飛,蔡斌,葛俊瑞

        1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 上海工程技術(shù)公司(上海 200335)2.中海石油(中國)有限公司 上海分公司(上海 200335)

        0 引言

        海上常用油管攜帶式井下安全閥,其采用液壓控制的閥板結(jié)構(gòu)[1-2],具有密封性好、可靠性高的特點(diǎn)。由于井下環(huán)境惡劣,井下安全閥可能發(fā)生故障而無法正常開啟,導(dǎo)致無法進(jìn)行鋼絲、電纜、連續(xù)油管等作業(yè),給生產(chǎn)、完井、修井帶來一系列的難題。

        井下安全閥因故障出現(xiàn)閥瓣意外關(guān)閉常采用臨時(shí)強(qiáng)開工具和永久鎖定強(qiáng)開工具[3]。臨時(shí)強(qiáng)開工具利用隔離套筒將安全閥閥瓣臨時(shí)強(qiáng)行打開,可以實(shí)現(xiàn)繼續(xù)生產(chǎn)的要求,后續(xù)可以通過鋼絲作業(yè)取出隔離套筒[4],使安全閥閥瓣再次關(guān)閉,但因隔離套筒內(nèi)徑較小,不能滿足鋼絲、電纜、連續(xù)油管等作業(yè)。永久鎖定強(qiáng)開工具主要是通過鎖定安全閥閥瓣[5],使閥瓣保持永久打開,雖然閥瓣無法再次關(guān)閉,但實(shí)現(xiàn)了安全閥保持原有通徑,可以滿足鋼絲、電纜、連續(xù)油管等特殊作業(yè)的要求。

        針對井下安全閥閥瓣意外關(guān)閉,為使安全閥保持原有通徑,研制了一種新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具。該強(qiáng)開工具采用釋放卷簧鎖定閥瓣原理,使安全閥保持原有通徑,實(shí)現(xiàn)永久強(qiáng)開,是安全閥閥瓣意外關(guān)閉后一種很好的處理手段。

        1 結(jié)構(gòu)分析

        1.1 結(jié)構(gòu)原理

        新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具主要由送入工具、卷簧釋放裝置、卷簧3部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 全通徑井下安全閥強(qiáng)開工具結(jié)構(gòu)示意圖

        井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具采用釋放卷簧鎖定閥瓣原理,使安全閥保持原有通徑實(shí)現(xiàn)永久強(qiáng)開,如圖2所示。

        圖2 卷簧在安全閥閥瓣中的位置

        卷簧釋放裝置送入工具主要由打撈頸、限位銷、剪切銷釘、外層可選擇性推筒、內(nèi)層中心桿組成,如圖3所示,送入工具上部接頭連接卷簧釋放裝置時(shí),靠彈性爪、內(nèi)層中心桿連接銷釘、下拉桿與卷簧釋放裝置連接;可下?lián)翡摻z工具串,剪斷銷釘,送入工具上部接頭外層推筒下移,使彈性爪與卷簧釋放裝置連接處脫開;在確認(rèn)堵塞器坐牢后,可上擊震擊器,使剪切銷釘、下拉桿與卷簧釋放裝置脫開,起出送入工具。

        投送卷簧、釋放卷簧、回收卷簧釋放裝置原理如下:

        圖3 送入工具

        1)X型堵塞器鎖芯鎖在X型坐落接頭內(nèi)。如圖1 所示,由鋼絲工具串帶著送入工具及卷簧釋放裝置,下至井下安全閥閥瓣位置,工具前端底堵首先強(qiáng)制頂開閥瓣,如圖4 所示。X 型堵塞器鎖芯到達(dá)安全閥上端X 型坐落接頭內(nèi),通過合攏鋼絲機(jī)械震擊器,向下震擊整個(gè)鋼絲工具串,使堵塞器鎖芯卡瓦撐開完全坐落在X 鎖芯槽內(nèi),同時(shí)卷簧定位至安全閥閥瓣、閥腔位置,送入工具上部接頭中的剪切銷釘剪斷。

        2)送入工具與卷簧釋放裝置脫開。向上提鋼絲工具串,判斷是否過提,確認(rèn)X 型堵塞器鎖芯坐牢,繼續(xù)上提鋼絲工具串,送入工具與卷簧釋放裝置連接固定剪切銷釘剪斷。

        3)卷簧釋放。送入工具上部接頭中上連接桿帶動整個(gè)中心桿上移,使得支撐瓦固定銷釘剪斷,卷簧工具上的彈簧套上移,漏出卷簧,卷簧因?yàn)樽陨韽椓ψ饔茫跊]有彈簧套的阻擋之后,自動彈出,外徑變大,永久留在安全閥閥瓣閥腔位置,將閥瓣撐開,保持安全閥永久打開。

        油管攜帶式安全閥一般要求至少要下在海底泥線以下30 m[6],安全閥閥瓣打開后,會漏出一塊長約110 mm,厚3 mm圓環(huán)體狹小空間,利用此圓環(huán)體空間,釋放卷簧將閥瓣進(jìn)行永久鎖定強(qiáng)開。設(shè)計(jì)卷簧釋放裝置能夠精準(zhǔn)定位,卷簧能夠可靠釋放在圓環(huán)體空間。

        1)通過安全閥上端設(shè)計(jì)X 型坐落接頭,可以懸掛對應(yīng),根據(jù)鎖芯位置可以精確定位閥瓣開啟后圓環(huán)體狹小空間具體的位置,如圖5所示,距離B即為鎖芯到閥瓣開啟位置距離(mm),根據(jù)距離B決定卷簧釋放裝置的具體長度;距離C 為閥瓣開啟后漏出的圓環(huán)體空間,根據(jù)距離C 及圓環(huán)體厚度決定卷簧的具體尺寸(mm);確定尺寸之后,可以保證卷簧釋放裝置能精確定位,卷簧能夠準(zhǔn)確投放至安全閥閥瓣開啟后的狹小的空間內(nèi),保證閥瓣永久開啟。

        2)測量距離C長度為110 mm,閥瓣至下接頭距離為3 mm,設(shè)計(jì)卷簧長度80 mm,厚度2 mm,材料為不銹鋼耐腐蝕長方形鋼板,卷縮而成,具有一定的彈性力。該卷簧要求放在卷簧釋放裝置內(nèi)不能發(fā)生塑性變形,彈力滿足正常回彈,且卷簧回彈至正常位置能夠克服扭簧的彈力將安全閥閥瓣撐開。卷簧釋放后內(nèi)徑滿足≥71.5 mm,不能影響生產(chǎn)管柱的內(nèi)通徑,卷簧大于圓周彈性防腐蝕金屬片,具有較強(qiáng)的彈性力。

        1.2 作業(yè)步驟

        圖4 全通徑強(qiáng)開工具原理圖

        圖5 油管攜帶式安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

        全通徑安全閥強(qiáng)開工具用于強(qiáng)行開啟井下安全閥閥瓣,并對閥瓣進(jìn)行永久性鎖定。該全通徑強(qiáng)開工具可實(shí)現(xiàn)一趟下入和一趟回收,主要技術(shù)參數(shù)見表1。

        1)下入步驟:全通徑強(qiáng)開工具用送入工具上部接頭工具下入,一旦全通徑強(qiáng)開工具進(jìn)入并鎖定到油管攜帶式井下安全閥X 型坐落接頭臺階,向上震擊下入工具,脫手送入工具上部接頭,同時(shí)剪斷銷釘釋放卷簧,繼續(xù)向上震擊將下入工具回收到地面。

        2)起出步驟:全通徑強(qiáng)開工具使用GS工具一趟回收,GS 回收工具下到位之后,會抓住全通徑強(qiáng)開工具卷簧釋放裝置上部的打撈頸,向上震擊,將全通徑強(qiáng)開工具卷簧釋放裝置回收到地面。

        表1 主要技術(shù)參數(shù)

        2 室內(nèi)性能評價(jià)

        室內(nèi)將卷簧釋放裝置與X 型堵塞器、送入工具進(jìn)行組裝,測量各個(gè)工具內(nèi)外徑、長度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。測試表明,各個(gè)連接工具配合良好,銷釘安裝準(zhǔn)確。模擬實(shí)際施工過程,進(jìn)行強(qiáng)開工具投送、釋放卷簧實(shí)驗(yàn)、回收卷簧釋放裝置及通徑實(shí)驗(yàn)。

        2.1 強(qiáng)開工具投送、釋放卷簧實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)流程如圖6 所示。工具準(zhǔn)備:Φ 88.9 mm油管,Φ 71.45 mm 油管攜帶式井下安全閥,卷簧釋放裝置一套,送入工具一套,主要包括X 型堵塞器、卷簧釋放裝置、卷簧;送入工具主要包括送入工具上部接頭、探桿等。實(shí)驗(yàn)步驟如下:

        1)投送過程。將送入工具上部接頭置于非選擇位,送入工具和卷簧釋放裝置連接在一起,通過鋼絲作業(yè)送至安全閥以上,將堵塞器鎖鍵鎖在安全閥內(nèi)置X 型坐落接頭卡槽內(nèi),通過合攏鋼絲機(jī)械震擊器,向下震擊鋼絲工具串。

        2)釋放過程。緩慢上提送入工具,剪切送入工具上部接頭與卷簧釋放裝置連接銷釘。繼續(xù)上提工具串,將工具串提出卷簧釋放裝置。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,全通徑強(qiáng)開工具能夠順利下至安全閥閥瓣,X 型堵塞器能夠準(zhǔn)確定位X 型坐落接頭位置,并順利坐落;卷簧順利釋放;送入工具上部接頭工具能夠正常脫手,正常起出。

        2.2 回收卷簧釋放裝置實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)流程如圖7所示。工具準(zhǔn)備:Φ 88.9 mm GS回收工具,Φ 47.625 mm鋼絲機(jī)械震擊器,Φ 47.625 mm加重桿等各一套。

        實(shí)驗(yàn)步驟:緩慢將GS工具送入至X型堵塞器打撈頸內(nèi),緩慢上提GS工具串,拉開堵塞器鎖定塊,堵塞器鎖定塊支撐塊下移,堵塞器鎖定塊脫離坐落接頭鎖芯槽,堵塞器上移,帶動整個(gè)卷簧釋放裝置上移,順利從安全閥內(nèi)取出。

        檢查卷簧釋放情況,發(fā)現(xiàn)卷簧釋放裝置正常工作,卷簧擋環(huán)正常動作,卷簧釋放完成。

        實(shí)驗(yàn)證明,卷簧釋放裝置能夠順利回收,工具能按照設(shè)定機(jī)構(gòu)動作,且卷簧不影響釋放裝置回收。

        2.3 通徑實(shí)驗(yàn)

        通徑實(shí)驗(yàn)流程如圖8 所示。工具準(zhǔn)備:內(nèi)含釋放卷簧的油管攜帶式安全閥(Φ 71.45 mm),Φ 70 mm 通徑規(guī),Φ 47.625 mm 鋼絲機(jī)械震擊器,Φ 47.625 mm加重桿等各一套。

        圖6 投送、釋放卷簧測試示意圖

        圖7 回收卷簧釋放裝置測試示意圖

        圖8 通徑測試示意圖

        實(shí)驗(yàn)步驟:將Φ 70 mm通徑規(guī)+Φ 47.625 mm機(jī)械震擊器+Φ 47.625 mm 加重桿組合緩慢通過井下安全閥,在安全閥閥瓣位置來回移動幾次,無阻掛現(xiàn)象;驗(yàn)證卷簧釋放后,卷簧內(nèi)通徑無臺階,無縮徑。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:通過反復(fù)3次實(shí)驗(yàn),Φ 70 mm通徑規(guī)可以正常通過安全閥。

        3 某區(qū)塊B5井應(yīng)用效果

        3.1 應(yīng)用井基本數(shù)據(jù)

        海上油氣田某區(qū)塊B5井為一口開發(fā)生產(chǎn)氣井,生產(chǎn)后期需起管柱進(jìn)行上返補(bǔ)孔作業(yè)。上返補(bǔ)孔作業(yè)前需進(jìn)行井筒處理,井筒處理期間要進(jìn)行鋼絲作業(yè)打開滑套反循環(huán)壓井、電纜切割油管、起出上部油管、套銑封隔器等作業(yè)。由于井下安全閥控制管線泄漏,導(dǎo)致閥瓣自動關(guān)閉[7],造成生產(chǎn)管柱通道堵塞,無法進(jìn)行鋼絲作業(yè)開滑套及電纜切割油管作業(yè),給壓井、切割油管作業(yè)帶來困難。因此需將井下安全閥閥瓣強(qiáng)制打開,保持生產(chǎn)管柱內(nèi)通道暢通,滿足鋼絲、電纜作業(yè)[8]。生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)如圖9所示。

        圖9 生產(chǎn)管柱示意圖

        3.2 應(yīng)用過程

        具體作業(yè)步驟如下:

        1)井口組裝鋼絲防噴管,對防噴器及工具串進(jìn)行試壓,試壓合格。

        2)通徑作業(yè)。工具串組合:Φ 47.625 mm繩帽+Φ 47.625 mm 旋轉(zhuǎn)節(jié)+ Φ 47.625 mm 加重桿254 mm(10")+ Φ 47.625 mm 萬向節(jié)+ Φ 47.625 mm 機(jī)械震擊器762 mm(30")+Φ 53.6 mm 扶正器+ Φ 38.1 mm加重桿203.2 mm(8")+Φ 70.0 mm通徑規(guī)。

        下入通徑工具串,通徑至井下安全閥閥板以下50 m,輕探并記錄閥瓣位置。

        3)下入卷簧釋放裝置,釋放卷簧。工具串組合:繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+萬向節(jié)+送入工具+卷簧釋放裝置。連接全通徑強(qiáng)開工具,送入工具、卷簧釋放裝置,設(shè)定送入工具上部接頭工具處于非選擇位,緩慢下放至井下安全閥的閥板位置,半合機(jī)械震擊器;緩慢下放鋼絲工具串將X 鎖芯坐落于X 型坐落接頭,向下震擊完全釋放X 鎖芯,過提驗(yàn)證鎖芯鎖緊后,向上震擊,脫手卷簧釋放裝置送入工具,起出工具串,檢查卷簧釋放裝置送入工具上部接頭脫手銷釘、中心桿銷釘正常剪切[9-11]。

        4)回收卷簧釋放裝置。工具串組合:繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+萬向節(jié)+GS 工具。下入工具串至井下安全閥,到位后嘗試回收卷簧釋放裝置,緩慢下放后上提確認(rèn)撈住卷簧釋放裝置本體,起出后檢查工具正常,卷簧釋放成功。

        5)再次通徑作業(yè)。工具串組合:繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+扶正器+加重桿+Φ 70.0 mm 通徑規(guī)。下入通徑工具串,通徑至井下安全閥閥板以下50 m,驗(yàn)證卷簧釋放后未影響管柱內(nèi)通徑,滿足后續(xù)其他作業(yè)需求。

        6)通過鋼絲作業(yè)打開滑套,反循環(huán)壓井。

        7)下入電纜切割工具至4 200 m,切割油管,起出原井生產(chǎn)管柱。

        4 結(jié)論

        1)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用,證明該新型井下安全閥全通徑強(qiáng)開工具連接簡便、強(qiáng)度合格、釋放卷簧性能可靠,且送入工具及回收工具相關(guān)機(jī)構(gòu)能夠在設(shè)定壓力下準(zhǔn)確動作。充分說明該工具設(shè)計(jì)合理,滿足施工作業(yè)要求,具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

        2)該工具在某區(qū)塊B5井成功應(yīng)用,且在施工過程中操作方便,安全高效,當(dāng)安全閥出現(xiàn)同類問題時(shí)可提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

        3)該工具的成功應(yīng)用,表明針對不同型號的安全閥,可根據(jù)安全閥具體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行卷簧裝置的重新設(shè)計(jì),具有推廣應(yīng)用的條件。

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