劉國恒

（鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163000）

1 概述

縱觀大慶油田的開發(fā)歷程，套損問題一直影響著油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)[1]。油田自開發(fā)以來累計發(fā)現(xiàn)套損井18000多口，占投產(chǎn)井總數(shù)19.5%，目前仍有4000多口井待修[2]。水泥面控制工具的出現(xiàn)，極大地改善了大慶地區(qū)套損情況的發(fā)生，然而隨著固井技術的逐漸發(fā)展，頂替水泥漿過程中由于工藝改變，導致原有的水泥面控制工具使用方式不能夠滿足現(xiàn)場應用的需求，因此需要能夠與水泥面控制工具配套使用的工具，來滿足新工藝條件下的帶壓投球的要求，在這種情況下，進行帶壓投球器的研制。

2 帶壓投球器設計

2.1 工作原理分析

帶壓投球器要求在使用水泥面控制工具時，在頂替水泥漿過程中不停泵帶壓投球，因此工具需要在投球過程中克服泵壓，將關閉球推送到水泥頭內，由水泥漿將關閉球帶到水泥面控制工具關閉處，完成水泥面控制工具關閉動作。推送時，首先要保證工具整體密封，同時推送時，要有足夠的動力克服水泥漿阻力。

2.2 整體方案設計

帶壓投球器是基于現(xiàn)有的固井設備設計的，地面的各種固井參數(shù)不變。正常固井作業(yè)時，將帶壓投球器接于固井水泥頭上，常規(guī)頂替作業(yè)時關閉球儲存于工具內部，根據(jù)計算的頂替量，需要投球時不停泵，直接帶壓投球，確認所有關閉球投入后關閉工具，完成后續(xù)固井作業(yè)。根據(jù)帶壓投球器的結構組成可分為以下五個系統(tǒng)，即高壓密封系統(tǒng)、帶壓投球系統(tǒng)、儲球系統(tǒng)、殼體總成、連接系統(tǒng)。下文將對五種系統(tǒng)的設計過程進行詳細介紹。

2.2.1 高壓密封系統(tǒng)設計

高壓密封系統(tǒng)是整個工具的最基礎最重要的部分。針對可能遇到的應用環(huán)境，設計出了如下幾種密封方式。

第一種是一體式密封方案，工具除與水泥頭連接部分外，全部采用一體式加工。

一體式密封方案將各個系統(tǒng)整合在一個密封的整體環(huán)境中，工具只需要做好連接部分的高壓密封即可，其他系統(tǒng)處在浸沒式的環(huán)境內，不必考慮密封情況，優(yōu)點在于設計思路簡單；缺點在于一體式密封方案各系統(tǒng)設計方案受限，結構相對較為復雜，且內部與外部信號傳導困難，不易操作。

第二種是連通式方案，工具各系統(tǒng)獨立設計，獨立密封。

連通式方案將各系統(tǒng)獨立設計，需要考慮的各種施工過程中遇到的情況，且投球系統(tǒng)需要考慮動密封，如何在運動過程中保持密封是連通式方案的技術難點，該方案優(yōu)點在于信號傳輸方便，易于操作；缺點在于內外環(huán)境連通，存在一定的安全風險，可能會出現(xiàn)高壓液體激射傷人的情況。

2.2.2 帶壓投球系統(tǒng)設計

帶壓投球系統(tǒng)的作用是將關閉球投入到水泥頭內，進入套管中，完成水泥面控制工具的打開和關閉，設計出了如下幾種帶壓投球方式。

第一種是預制動力投球方案，配合一體式密封方案，投球系統(tǒng)采用預置動力，由于一體式密封方案各個系統(tǒng)整合在一個密封系統(tǒng)內，沒有內外壓差，無需克服較大阻力即可完成投球動作，因此預置的動力無需太大，該方案的難點在于預置的動力在恰當?shù)臅r間釋放，對現(xiàn)場施工工藝要求嚴格，設計的預置動力方案有以下幾種形式：

（1）遇水膨脹材料：在工具內放置遇水膨脹材料，在水泥漿頂替過程中吸水膨脹，當膨脹力大于儲球系統(tǒng)中的閥值時將小球噴射入水泥頭內；

（2）膨脹性化學反應：在工具內預置可以發(fā)生反應產(chǎn)生大量氣體的化學藥品，在指定到達指定時間后，藥品隔離膜失效，藥品發(fā)生反應，產(chǎn)生大量氣體，使氣囊膨脹，推動關閉球，完成投球動作。

預置動力投球方案優(yōu)點在于安裝后不需要進一步的人工操作，到達指定時間后工具自發(fā)完成投球動作；缺點在于兩種方案對于材料的多少控制對現(xiàn)場施工要求極為嚴格，一旦出現(xiàn)意外情況，帶壓投球器仍舊會按照原設計時間投球，導致投球無效。

第二種是后置動力投球方案，配合連通式密封方案，投球系統(tǒng)采用后置動力，所謂后置動力就是在需要投球的時候從外部施加一個外力，將球推出，完成投球動作。這種方案對于投球的時機的把握比較靈活，能夠很好地適應現(xiàn)場復雜施工情況，該方案的難點在于投球系統(tǒng)內外壓差不平衡，由內而外受到水泥漿的阻力，與此同時，投球系統(tǒng)還要保證提供動力時工具整體的密封不出現(xiàn)問題，設計的后置動力方案有以下幾種形式：

（1）活塞桿方式：采用活塞推進的方式，在活塞套上加密封圈，確保活塞運動過程中水泥漿不會在活塞桿處發(fā)生刺漏。該方案由于水泥漿壓力直接作用在活塞桿截面上，因此推動活塞桿需要較大的力，且需要確保內側限位安全，保證活塞桿不會受力噴出，造成人員傷害；

（2）螺旋桿方式：采用螺紋旋進的方式，螺紋桿受到軸向力時不易噴出，旋進時所需力遠小于軸向受力，克服螺紋摩擦阻力即可，該方案難點在于螺紋桿的密封問題。

后置動力投球方式優(yōu)點在于投球時間可控，缺點在于需要增加一些操作，同時存在密封失效的可能。

2.2.3 儲球系統(tǒng)設計

根據(jù)儲球方式的不同設計以下兩種儲球系統(tǒng)：

第一種是包覆式儲球系統(tǒng)，將一個單元的球用容易破碎的紙袋包覆，固定在投球系統(tǒng)上，水泥漿達到指定頂替量時投出紙包，在水泥漿作用下紙包破裂，將球散入水泥漿內，完成投球；

第二種是開放式儲球系統(tǒng)，將一個單元的球通過機械結構儲存在工具內，需要投球時，儲球系統(tǒng)伸出并釋放儲球，完成投球。

2.2.4 殼體總成設計

殼體總成是工具的骨架，將各個系統(tǒng)包容在安全可靠的環(huán)境內，確保各系統(tǒng)動作正常，是投球的基礎；考慮現(xiàn)場施工條件，在滿足強度要求的情況下，殼體總成越短越細越輕，現(xiàn)場施工時越便利，因此殼體總成設計方案根據(jù)不同系統(tǒng)的搭配略有不同。

2.2.5 連接系統(tǒng)設計

連接系統(tǒng)的作用是將工具與水泥頭相連接，現(xiàn)有技術條件下連接方式有兩種：

第一種是通過由壬與水泥頭連接，這種方式不需要額外配置其它附件，在工具本體預置一個母扣接頭即可完成連接，與管線和水泥頭連接方式相同。

第二種是通過快速接頭的方式與水泥頭相連接，這種方式需要在工具前端預置彈簧等機構，同時對這種快速接頭的密封也有較高要求。

2.3 結構建模設計

綜合考慮上述五個系統(tǒng)設計方案的優(yōu)缺點，本著結構簡單可靠、現(xiàn)場應用簡便的原則，最終確定帶壓投球器采用連通式密封、螺旋桿式投球系統(tǒng)，開放式儲球系統(tǒng)、由壬式連接方式，殼體總成主要包括上本體、承壓本體、下本體三部分組成，投球單元主要包括連接螺紋套、密封螺紋桿兩部分組成，儲球單元主要包括擋桿、擋盤兩部分組成。

3 樣機組裝及室內試驗

3.1 帶壓投球器樣機組裝

帶壓投球器樣機在大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院科研中試中心加工試制，根據(jù)現(xiàn)有的加工條件，對零件的部分細節(jié)進行優(yōu)化，便于加工樣機，進行室內試驗。

3.1.1 帶壓投球器加工實物圖（見圖1）

3.1.2 帶壓投球器樣機的組裝

首先以承壓本體為基礎，上部加載螺紋連接套，然后連接密封螺紋桿與螺紋連接套，將擋桿和擋盤焊接后與密封螺紋桿前端推盤上預置孔焊接，再將上本體及連接配件與承壓本體螺紋連接，將O 型密封圈放入密封本體O圈槽中，共兩個，套在密封螺紋桿密封光面處，上端與承壓本體下部連接，完成樣機裝配。裝配過程中，要求絲扣部分均勻涂抹絲扣油，起潤滑、密封的作用。

3.2 帶壓投球器的室內試驗

為了驗證帶壓投球器的工作性能，檢驗工具的可靠性和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)工具存在的問題，進行此次室內試驗。

3.2.1 空載狀態(tài)下工具動作試驗

第一部分，投球動作試驗50次取平均效果記錄。

投球動作試驗，是在工具空載狀況下通過工裝旋動密封螺紋桿，完成投球動作，試驗情況如表1所示。

表1 空載狀態(tài)試驗結果

從試驗結果來看，旋進剛啟動時，手旋進方式較為困難，通過扳手旋進，能夠有效減少旋進阻力，根據(jù)這種情況，后續(xù)試驗了桿式工裝及輪式工裝旋進，在力臂相同的情況下，旋進均較為順滑，輪式工裝優(yōu)勢在于連續(xù)式旋進，效率較高，但工裝體積較大，重量相對較重；桿式工裝優(yōu)勢在于結構簡單，效率雖低于輪式但效率降低率并不大，且桿式工裝體積較小，重量較輕，便于上井攜帶。因此，選用桿式工裝作為帶壓投球器的配套工裝。

第二部分，連接動作試驗20次。

連接動作試驗，是針對工具與水泥頭連接動作的試驗，目的在于發(fā)現(xiàn)工具在連接過程中出現(xiàn)的問題。

通過連接動作試驗發(fā)現(xiàn)，原設計工具外徑與標準水泥頭連接配件不匹配，連接過程中極易發(fā)生卡頓，由于現(xiàn)場施工時定額人員一名，因此需要一只手扶著工具，一只手進行連接，工具重量對人員的手臂力量有較高要求，因此，為了解決上述兩個問題，將工具外徑在安全系數(shù)滿足要求的前提下，進行了簡化，減輕了重量，增加了與配件之間的回轉間隙，便于完成連接動作。

3.2.2 工具承壓極限試驗

工具承壓極限試驗是一種破壞性的試驗，首先將所有承壓零件進行浸沒式加壓，在靜止情況下，所有承壓零件承壓極限如表2 所示（20 次試驗取平均效果）。完成后將工具注滿請示后與加壓工裝連接，進行加壓，由于高壓較為危險，因此，只進行了40MPa時帶壓投球動作試驗，承壓能力遠高于現(xiàn)場20MPa 應用所需求的承壓能力，見表3。

表2 承壓極限結果

表3 投球動作試驗結果

通過試驗發(fā)現(xiàn)，O型密封圈處能夠承受較大壓力，承壓薄弱處在連接螺紋部分，主要影響因素在于加工時零件的加工質量及絲扣清理及涂油狀態(tài)。針對這種情況，以后的工具組裝調試過程時首先使用油污清洗劑進行絲扣表面清理，通過細砂紙打磨，確保絲扣不存在毛刺等影響密封的因素，同時現(xiàn)場用工具一律使用厭氧密封膠均勻涂抹絲扣，保證絲扣連接強度的同時，保證絲扣處密封。

3.2.3 帶壓狀態(tài)下工具動作試驗

帶壓狀態(tài)下工具動作試驗是指在保持20MPa狀態(tài)下進行投球動作，首先設計一個模擬水泥頭，內徑等于常規(guī)固井水泥頭內徑，在憋壓狀態(tài)下，進行投球，泄壓后完成動作試驗，觀察尼龍球是否能夠順利投出，常規(guī)關閉球密度低于清水密度，頂替時由水流攜帶到關閉位置，但是帶壓狀態(tài)下工具動作試驗是靜止憋壓狀態(tài)，因此需要使用密度高于清水的關閉球，使關閉球沉于底部，便于觀察，在20MPa旋進三周條件下，結果如表4所示。

表4 投球動作試驗結果

3.2.4 模擬水泥頭連接試驗

模擬水泥頭連接試驗是將工具與模擬水泥頭相連，本次試驗目的是為了驗證樣機在現(xiàn)場與水泥頭連接時工具結構是否合理，經(jīng)驗證，工具重量在可接受范圍內，連接時雙手定位，單手扶正，單手連接完全可以做到，證明工具設計結構合理，重量和強度匹配。

4 現(xiàn)場試驗及優(yōu)化完善

帶壓投球器由現(xiàn)場服務人員在固井前將投球器與水泥頭安裝，為了減少現(xiàn)場施工人員的勞動強度，對投球器結構和尺寸進行了優(yōu)化，通過優(yōu)化設計，投球器總長580mm，總質量為7.5kg，滿足現(xiàn)場施工一人可進行安裝和投球操作。帶壓投球器在現(xiàn)場應用的三口井投球成功率均為100%，固井碰壓后中停時間縮短至半分鐘以內。固井施工連續(xù)性得到進一步提高，有利于固井質量的提高。

固井時提前在投球器里預裝入尼龍球，投球器和固井水泥頭連接，一替期間投球器擋盤會將尼龍球和水泥頭隔離開，一替后通過人工旋轉搖把使推盤推動尼龍球向前移動的同時將擋盤打開，將預裝的尼龍球全部推入水泥頭內，達到投球目的。投球器額定承受壓力30MPa，投球后無需拆卸，整個投球過程可以在30s內完成。

改變了原有的控制水泥面工具傳統(tǒng)的投球方法，縮短了投球時間，保證了固井施工連續(xù)性和安全性，減小了勞動強度，有利于固井質量的提高。

5 結論

本文基于水泥面控制技術提出了一種配套輔助裝置——帶壓投球器。在深入調研的基礎上，對帶壓投球器各主要系統(tǒng)做了詳細的結構設計與理論研究，研究過程中所取得的主要結論有：

（1）由于固井工藝改變，需要在帶壓條件下，提前投球關閉工具，帶壓投球器可以滿足水泥面控制工具在應用過程中產(chǎn)生的新的要求，因此帶壓投球器可以作為水泥面控制工具的標準配件常備；

（2）帶壓投球器工藝簡單，結構可靠，可以滿足現(xiàn)場使用條件且成本較低，有利于大量推廣。