張斌 包陳義 馬長亮 左凱 段威 王明杰

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著油氣田開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種集成新技術(shù)與高效作業(yè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]，多工藝連續(xù)作業(yè)已經(jīng)成為趨勢(shì)，這將導(dǎo)致井內(nèi)作業(yè)管柱越來越復(fù)雜。在完井作業(yè)中，內(nèi)層管柱和外層管柱需要多次相對(duì)移動(dòng)調(diào)整位置以實(shí)現(xiàn)入井各工具的功能，因此管柱位置的準(zhǔn)確定位和防竄至關(guān)重要。如裸眼井礫石充填防砂作業(yè)中，只有準(zhǔn)確定位服務(wù)管柱與外層器材的相對(duì)位置，才可以進(jìn)行充填加砂和充填作業(yè)完成后的反循環(huán)沖砂洗井作業(yè)[2-4]。而在一次多層礫石充填防砂作業(yè)中，為了保證不同產(chǎn)層的精準(zhǔn)施工，需要利用井下定位工具來多次確定充填位置[5-6]。

目前，井下作業(yè)時(shí)地面可獲取位置的途徑較少，多采用套管接箍與定位工具相配合，現(xiàn)場(chǎng)通過下放、上提和旋轉(zhuǎn)管柱的方式，利用在井口顯示的懸重載荷變化間接確定管柱位置[7-9]。裸眼井礫石充填防砂作業(yè)中可采用單向簡(jiǎn)易的下壓定位器來實(shí)現(xiàn)下壓充填作業(yè)[10]，而在一趟多層防砂作業(yè)中既可采用機(jī)械式定位器，也可采用井口施加液壓力的方式形成液壓定位工具[11]，但是都需要精確控制井筒壓力。

針對(duì)一次多層充填防砂作業(yè)，現(xiàn)有的常規(guī)定位工具具有一定的局限性，如采用旋轉(zhuǎn)換向的定位工具不適用于充填防砂管柱的找位，或者采用無換向功能的定位工具又不能滿足充填防砂作業(yè)大噸位下壓防止管柱竄動(dòng)和選擇性通過的要求。因此，基于國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和高效作業(yè)的需求，本文研究了一種可換向選擇性通過機(jī)械定位器。該定位器通過與外層管柱中定位接箍的配合使用，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)管柱的多次下壓準(zhǔn)確定位，以及下壓通過與不通過的自由切換，為充填作業(yè)提供了保障。

1 重復(fù)定位工藝原理

一次三層充填防砂管柱組合示意圖如圖1所示，主要由外層防砂管柱和內(nèi)層充填服務(wù)管柱組成[12]。充填作業(yè)時(shí)，只有保證內(nèi)層充填服務(wù)管柱和外層防砂管柱相對(duì)準(zhǔn)確位置，即在充填位置時(shí)，服務(wù)工具充填孔上、下密封單元與外層防砂管柱密封筒實(shí)現(xiàn)密封，正循環(huán)時(shí)攜砂液才可以通過充填孔和充填滑套進(jìn)入篩管與套管的環(huán)空，最終完成充填防砂作業(yè)。

1—技術(shù)套管；2—充填服務(wù)管柱；3—頂部封隔器；4、6、9、11、14、16—密封筒；5、10、15—充填滑套；7、12、17—定位接箍；8、13—隔離封隔器；18—沉砂封隔器；19—機(jī)械定位器；20—密封單元。

一次三層防砂外層管柱每層均配置一個(gè)定位接箍，機(jī)械定位器連接在壓裂防砂的服務(wù)管柱。通過與定位接箍配合，機(jī)械定位器在定位接箍處下壓遇阻定位，同時(shí)充填滑套上、下密封筒與定位接箍具有近似的內(nèi)徑，因此在密封筒處也可產(chǎn)生遇阻定位，根據(jù)3個(gè)遇阻點(diǎn)的位置即可在鉆臺(tái)準(zhǔn)確判斷充填位置。

機(jī)械定位器具有換向功能，即在下壓定位狀態(tài)完成充填作業(yè)后，上提服務(wù)管柱再次下放則可通過定位接箍，而機(jī)械定位器設(shè)計(jì)為上提可通過定位接箍，因此定位器實(shí)現(xiàn)了在一次多層充填防砂作業(yè)中的重復(fù)定位。

2 技術(shù)分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)常用的內(nèi)通徑120.7 mm的一次多層防砂管柱，設(shè)計(jì)了可換向選擇性通過機(jī)械定位器，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

可換向選擇性通過機(jī)械定位器的主要結(jié)構(gòu)包括定位工作筒、換向總成和復(fù)位機(jī)構(gòu)。定位工作筒最大外徑大于定位接箍?jī)?nèi)徑，直接與定位接箍配合實(shí)現(xiàn)定位；換向總成包括上連接套、換向套、導(dǎo)向銷和墊圈，換向總成與定位工作筒連接，通過導(dǎo)向銷在上心軸導(dǎo)向槽內(nèi)的移動(dòng)，確定定位和通過的相對(duì)位置；復(fù)位機(jī)構(gòu)包括彈簧和墊片，當(dāng)導(dǎo)向銷運(yùn)動(dòng)至上心軸的導(dǎo)向槽上極限位置時(shí)，彈簧壓縮力將推動(dòng)換向總成和定位工作筒復(fù)位。

1—上接頭；2—墊片；3—彈簧；4—上心軸；5—滑動(dòng)頭；6—上連接套；7—墊圈；8—下連接套；9—塑料墊圈；10—換向套；11—導(dǎo)向銷；12—定位工作筒；13—下心軸；14—下接頭；A1～A5—固定螺釘；B1、B2—密封圈。

2.2 工作原理

2.2.1 定位工作筒的壓縮與定位

籠式彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于管柱定位及滑套開關(guān)等井下工具[13-14]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械定位器由沿圓周開設(shè)多個(gè)條形孔的籠式彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)定位工作筒來實(shí)現(xiàn)整套工具是否通過定位接箍。下壓定位狀態(tài)如圖3所示。在下壓時(shí)，當(dāng)下心軸相對(duì)定位工作筒下移到二者在定位工作筒的底部限位時(shí)，定位工作筒凸臺(tái)與下心軸的支撐凸臺(tái)正對(duì)。由于定位工作筒凸臺(tái)最大外徑大于定位接箍的最小內(nèi)徑且定位工作筒沿徑向不可壓縮，所以通過定位工作筒凸臺(tái)將整個(gè)定位器卡在定位接箍上，此時(shí)可從機(jī)械定位器上接頭施加所需的定位載荷。

1—定位工作筒；2—定位接箍；3—下心軸。

下壓可通過狀態(tài)如圖4所示。在下壓時(shí)，當(dāng)下心軸相對(duì)定位工作筒下移到上心軸上部限位時(shí)，定位工作筒凸臺(tái)與下心軸的縮頸正對(duì)。由于定位工作筒凸臺(tái)具有下斜面且徑向可壓縮，所以整個(gè)定位工具可通過定位接箍。

1—定位工作筒；2—定位接箍；3—下心軸。

在上提服務(wù)工具時(shí)，定位器處于如圖5所示初始位置，即定位工作筒凸臺(tái)與下心軸的縮頸正對(duì)，定位工作筒凸臺(tái)具有上斜面且徑向可壓縮，因此整個(gè)定位工具始終可通過定位接箍。

1—定位工作筒；2—定位接箍；3—下心軸。

2.2.2 導(dǎo)向銷的換向

機(jī)械定位器上心軸如圖6所示。上心軸的下部外表面設(shè)計(jì)了相隔90°的長短兩對(duì)連續(xù)導(dǎo)向槽，上心軸的中部設(shè)計(jì)了圓周的外限位臺(tái)肩。換向總成的導(dǎo)向銷可在導(dǎo)向槽內(nèi)自由移動(dòng)，導(dǎo)向銷的移動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)上連接套和工作筒在軸向移動(dòng)。受下壓載荷且當(dāng)上連接套的圓周內(nèi)限位臺(tái)肩與上心軸的圓周的外限位臺(tái)肩相對(duì)時(shí)，導(dǎo)向銷只能移動(dòng)到上長槽的中部，此時(shí)工作筒可壓縮，即機(jī)械定位器可通過定位接箍；當(dāng)上連接套的圓周內(nèi)限位臺(tái)肩不與上心軸的圓周的外限位臺(tái)肩相對(duì)時(shí)，導(dǎo)向銷可移動(dòng)到上長槽的頂部，此時(shí)工作筒不可壓縮，即機(jī)械定位器在定位接箍處產(chǎn)生遇阻定位。

圖6 機(jī)械定位器上心軸示意圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical locator upper mandrel

如非定位狀態(tài)，當(dāng)機(jī)械定位器通過定位接箍后再次上提通過定位接箍，或者在定位狀態(tài)，上提管柱后，在彈簧和工作筒小定位凸臺(tái)的作用下將實(shí)現(xiàn)定位狀態(tài)和非定位狀態(tài)的切換。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 換向旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)與校核

由于結(jié)構(gòu)和安裝尺寸的限制，定位工作筒與下連接套之間采用Stub Acme特種矮牙梯形螺紋連接。工作筒螺紋連接處壁厚較小，復(fù)雜情況下上提遇阻時(shí)為整個(gè)工具的薄弱點(diǎn)，因此需要對(duì)該處進(jìn)行強(qiáng)度校核。工作筒與下連接套連接處抗拉載荷計(jì)算公式為：

(1)

式中：P為抗拉載荷，N；d、D分別為管內(nèi)徑和外徑，mm；σs為材料的屈服強(qiáng)度，MPa；S為安全系數(shù)，取值1.5。

工作筒在連接處，D=116.8 mm,d=109.0 mm，材質(zhì)為AISI 4145H，調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度不低于785 MPa。

通過計(jì)算，定位器在復(fù)雜情況下上提遇阻最大軸向拉伸載荷為724 kN，滿足井下復(fù)雜情況遇阻上提載荷要求。

3.2 定位工作筒設(shè)計(jì)與校核

定位工作筒是直接與定位接箍接觸的工件，在此產(chǎn)生定位器通過的阻力載荷和下壓的定位載荷，要求其在上提載荷下能夠收縮通過定位接箍，下壓載荷下工作筒內(nèi)部有支撐時(shí)產(chǎn)生定位載荷，下壓載荷下工作筒內(nèi)部無支撐時(shí)能夠收縮通過定位接箍。因此，定位工作筒要求具有一定的彈性，且在多次壓縮后不產(chǎn)生屈服變形。根據(jù)管柱通徑的要求，定位接箍最小內(nèi)徑設(shè)計(jì)為121 mm，兩邊具有45°的倒角。定位工作筒下部設(shè)計(jì)為具有2段相間條形孔的籠式彈性懸臂梁結(jié)構(gòu)，每段均沿周向開設(shè)8個(gè)寬度為10 mm的條形孔；每段懸臂梁中部均設(shè)計(jì)凸臺(tái)，上凸臺(tái)外徑為123 mm，下凸臺(tái)外徑為122 mm，凸臺(tái)寬度為5 mm，兩邊具有45°的倒角。定位工作筒結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 定位工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural schematic of positioning working barrel

定位工作筒和定位接箍的材質(zhì)均為AISI 4145H，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為785和980 MPa。

為分析定位工作筒與定位接箍的接觸載荷情況，采用ANSYS Workbench軟件建立了定位工作筒與定位接箍裝配有限元分析模型。定位工作筒兩端設(shè)置為固定約束，設(shè)置定位接箍移動(dòng)距離15 mm，模擬定位器下壓通過定位接箍過程，分析結(jié)果如圖8所示。定位工作筒兩端設(shè)置為固定約束，工作筒內(nèi)部設(shè)置剛性支撐，通過在定位接箍軸向施加200 kN載荷，模擬定位器與定位接箍下壓定位狀態(tài)，分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 下壓通過定位接箍分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of passing the positioning collar when down force is applied

圖9 下壓定位狀態(tài)分析結(jié)果Fig.9 Analysis results of positioning state when down force is applied

從圖8可以看出，當(dāng)定位工作筒上凸臺(tái)進(jìn)入定位接箍最小內(nèi)徑時(shí)產(chǎn)生最大應(yīng)力應(yīng)變，最大應(yīng)力出現(xiàn)在條形孔上端部，其值為408 MPa。從圖9可以看出，在下壓定位載荷200 kN的狀態(tài)下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在工作筒內(nèi)部限位凸臺(tái)根部，其值為470 MPa。兩種狀態(tài)下最大應(yīng)力值均小于材料取安全系數(shù)為1.5時(shí)的許用屈服強(qiáng)度(523.3 MPa)，因此定位工作筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

機(jī)械定位器功能測(cè)試臺(tái)如圖10所示。在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行定位器功能測(cè)試時(shí)，定位接箍總成夾緊在測(cè)試臺(tái)固定端，定位器與工裝連接裝夾在測(cè)試臺(tái)液驅(qū)移動(dòng)端。定位器與定位接箍對(duì)中后，通過液驅(qū)移動(dòng)端往復(fù)移動(dòng)。定位器工作筒與定位接箍多次配合實(shí)現(xiàn)下壓通過、上提通過以及下壓定位循環(huán)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖10 機(jī)械定位器功能測(cè)試臺(tái)Fig.10 Mechanical locator function test bench

表1 機(jī)械定位器測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of mechanical locator

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，定位器通過定位接箍遇阻載荷穩(wěn)定在20 kN左右，下壓定位狀態(tài)250 kN載荷下未出現(xiàn)失效，且連續(xù)換向未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，說明定位器功能和性能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2020年5月，在渤海油田某井進(jìn)行了一次五層礫石充填防砂作業(yè)。該作業(yè)井井深2 508 m，最大井斜65°。在每層作業(yè)時(shí)可換向選擇性通過機(jī)械定位器分別在隔離下部密封筒、充填滑套密封筒以及定位接箍處產(chǎn)生載荷顯示，通過井口標(biāo)記3個(gè)位置的距離與設(shè)計(jì)的位置對(duì)比以確認(rèn)定位是否正確。

機(jī)械定位器連接在防砂服務(wù)管柱中，每通過一個(gè)定位接箍均會(huì)有一定的載荷在鉆臺(tái)儀表上顯示，以此確定充填位置。充填作業(yè)時(shí)為避免壓力波動(dòng)造成的管柱上下竄動(dòng)，在下壓狀態(tài)時(shí)進(jìn)行充填，由于充填作業(yè)完成后需要關(guān)閉滑套，所以需要下放管柱再次通過定位接箍。在五層作業(yè)中下壓載荷分別為120、160、150、130和150 kN，均未出現(xiàn)失效情況；同時(shí)上提通過定位接箍和密封筒時(shí)的載荷分別為20和30 kN，換向未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。本文研制的機(jī)械定位器在充填作業(yè)關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確可靠的定位，保證了礫石充填作業(yè)的成功率。

6 結(jié) 論

(1)研制的可換向選擇性通過機(jī)械定位器連接在服務(wù)管柱中，只需要上提和下壓即可實(shí)現(xiàn)找位和定位，操作簡(jiǎn)便且降低了定位失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率。

(2)機(jī)械定位器定位載荷準(zhǔn)確，上提通過遇阻載荷20 kN，避免了對(duì)密封筒的損壞，下壓遇阻定位載荷可達(dá)250 kN。

(3)通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，研制的機(jī)械定位器完全采用機(jī)械模式工作實(shí)現(xiàn)定位功能，工作性能穩(wěn)定可靠，滿足一次多層防砂管柱多次重復(fù)定位的需求。