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        高溫深井井下安全閥及配套強開工具設(shè)計與應(yīng)用

        2023-06-07 14:30:32
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年6期
        關(guān)鍵詞:閥板深井安全閥

        柯 康

        (中國海洋石油國際有限公司,北京 100029)

        根據(jù)海洋石油開采的相關(guān)要求,海上油井在泥面 20 m以下,應(yīng)當(dāng)安裝井下安全閥,以防止井下流體意外返出對平臺人員、設(shè)備及海洋環(huán)境造成危害[1]。隨著海洋石油的大規(guī)模增儲上產(chǎn),中國海域內(nèi)的稠油儲量頗豐,稠油的開采對產(chǎn)能的貢獻(xiàn)顯得愈發(fā)重要[2]。隨著熱采技術(shù)在海上油田的推廣應(yīng)用,相關(guān)的配套技術(shù)也日益完善。海上射流泵注采一體化技術(shù)解決一趟管柱實現(xiàn)稠油熱采的難題,該技術(shù)要求配套的井下安全閥滿足以下技術(shù)指標(biāo):最高耐溫 350 ℃、下入垂深不低于1100 m。目前,市面上的井下安全閥無法同時這兩項技術(shù)要求。針對以上熱采工藝技術(shù)的需求,成功研制了海上高溫深井井下安全閥,并進(jìn)行室內(nèi)試驗,在了解使用情況的同時,針對性地對其進(jìn)行改進(jìn)后,盡快使該工具在海上稠油油田得到推廣應(yīng)用。

        1 技術(shù)要求

        井下安全閥是位于生產(chǎn)管柱特定位置的安全工具,由于井下安全閥的基本功能及特性,須在生產(chǎn)設(shè)施出現(xiàn)危險、管線破裂等非正常情況下能夠進(jìn)行井下隔離,及時關(guān)閉流動通道,對井筒流進(jìn)行安全控制[3]。因為高溫深井安全閥在射流泵注采一體化生產(chǎn)管柱中特殊的使用環(huán)境,所以對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能指標(biāo)提出嚴(yán)格的要求(見表1)。

        表1 高溫深井安全閥使用基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)表

        因此,針對海上油田的開發(fā),射流泵注采一體化生產(chǎn)管柱中高溫深井安全閥在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,需要滿足以下4 個基本技術(shù)要求:1)確保主體和閥板在350℃高溫下關(guān)閉后長效密封。2)確保活塞密封在350℃高溫下長期有效,防止液壓油泄露。3)確保液控管線暴露在1100 m 海水中時,海水產(chǎn)生的液柱壓力不夠,不能打開井下安全閥。4)確保關(guān)鍵部件在高溫高壓環(huán)境下強度可靠。

        高溫深井安全閥與高溫常規(guī)井下安全閥基本原理及操作方法等方面是一致的,而常規(guī)井下安全閥是成熟的井下工具,在設(shè)計高溫深井安全閥過程中,只需要對常規(guī)井下安全閥的設(shè)計方案進(jìn)行更新[4]。

        方案更新包括以下5 個原則如下:1)結(jié)構(gòu)簡單,易加工,利作業(yè)。2)密封點少,高溫下密封可靠。3)小柱塞設(shè)計,溫度變化影響小。4)成本相對低。5)中心管可配合小油管強開。

        2 安全閥設(shè)計

        2.1 安全閥的設(shè)計思路

        設(shè)計原則如下:考慮最極端的情況就是當(dāng)井下安全閥的液控管線暴露在海水中時,海水產(chǎn)生的液柱壓力不足以打開井下安全閥。

        2.1.1 計算關(guān)閉壓力

        式中:Ps為關(guān)閉壓力;MDs為設(shè)計下入垂深,取1160 m;g為重力加速度,取9.8 N/kg;SF為安全系數(shù),取1.15;ρs為海水密度,取1.03×103kg/m3。

        2.1.2 校核最大下深

        式中:MDmax為實際下入垂深;ρo為液壓油密度,取0.9×103kg/m3。

        2.1.3 計算彈簧的預(yù)緊力

        式中:F1為彈簧預(yù)緊力;d為活塞直徑,取12.5 mm。

        2.1.4 初選彈簧參數(shù)

        式中:τ為彈簧的切應(yīng)力,578 MPa;d為彈簧的直徑,10.5 mm;D2為彈簧的中徑,79 mm;K為彈簧的曲度系數(shù),1.22。

        2.1.5 校核彈簧

        式中:F1為液壓油柱產(chǎn)生的壓力;G1柱為活塞桿的自重,3N;G2為中心管的自重,60 N;f1為活塞關(guān)閉方向摩擦力500 N。

        2.1.6 計算打開壓力

        式中:F2為安全閥完全打開彈簧力;Δx為彈簧的形變量362 mm,k為彈簧剛度8.41 N/mm;f2為活塞打開方向摩擦力1500 N。

        2.2 關(guān)鍵部件有限元分析

        按照API14A 要求對關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析。并依次對活塞桿、壓縮彈簧、扭簧和閥板這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析(如圖1 所示),計算最薄弱處的安全系數(shù)[5]。

        圖1 活塞桿的有限元分析

        活塞桿最大應(yīng)力為79.3 MPa,活塞桿在350 ℃下其屈服極限σs為370 MPa,計算其安全系數(shù)為4.66,其安全系數(shù)一般應(yīng)大于2,所以柱塞設(shè)計滿足強度要求(如圖2 所示)。

        彈簧在最大位移載荷作用下,壓縮彈簧的最大總應(yīng)力為865 MPa,小于所選材料的屈服極限1110 MPa,滿足設(shè)計強度要求。另外,彈簧經(jīng)過高溫蠕變后核算強度依然滿足要求,如圖3 所示。

        圖3 扭簧的有限元分析

        扭簧經(jīng)歷8760 h 蠕變效應(yīng)后殘余扭矩為215.3 N·mm,大于閥板關(guān)閉時的摩擦扭矩+自重,扭簧能實現(xiàn)關(guān)閉動作,滿足工作條件要求,如圖4 所示。

        圖4 閥板的有限元分析

        閥板接觸應(yīng)力值為590 MPa 左右,大于35 MPa 壓力差,閥板密封性能良好。總應(yīng)力強度692 MPa,小于材料的屈服強度1100 MPa,滿足強度設(shè)計要求。

        通過計算可知關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,其受力最大部位的應(yīng)力強度均遠(yuǎn)小于材料的屈服強度,設(shè)計強度滿足要求。

        2.3 強開工具設(shè)計

        井下安全閥強開工具上部扣型為1.9"EU B,下部為斜臺階面。該工具接在射流泵注采一體化生產(chǎn)管柱內(nèi)管柱的最下端,以上分別接射流泵工作筒內(nèi)泵筒、1.9"EU 小油管。

        當(dāng)射流泵工作筒內(nèi)泵筒與工作筒插入位后,強開工具在生產(chǎn)管柱內(nèi)管柱自身質(zhì)量(完井期間測得的管柱上提下放懸重約為5 t)的作用下,推動井下安全閥的流動管(流動管的推動力為0.5 t),從而由流動管推動井下安全閥閥板打開,并保持長期打開的狀態(tài)[6]。

        3 室內(nèi)試驗

        3.1 基本信息

        3.1.1 試驗儀器

        試壓泵、高溫深井安全閥、高溫加熱爐。

        3.1.2 參照標(biāo)準(zhǔn)

        SY/ T 6304—2013《注蒸汽封隔器及井下補償器技術(shù)條件》;ANSI/API Spec 14A《井下安全閥設(shè)備規(guī)范》。其中API 14A 試壓5 min;API 14A 壓降小于5%合格;API 14A無輪次要求。

        3.1.3 高溫試驗方法

        高溫加熱爐加熱試驗工具,多路液控管線試驗其承壓差性能,在350 ℃和溫度降到常溫過程中,交變溫差5 次,高溫下穩(wěn)壓8 h。

        3.2 試驗內(nèi)容

        試驗內(nèi)容如下:1)整體試壓。2)啟閉靈活性檢驗。3)整體承壓試驗。4)50%額定工作壓力下,啟閉試驗。

        3.3 試驗數(shù)據(jù)

        試驗數(shù)據(jù)如下:1)試壓15 min。2)壓降小于1%。3)高低溫試驗8 輪次。

        3.4 試驗結(jié)論

        室內(nèi)試驗完全滿足相關(guān)體系標(biāo)準(zhǔn)。

        4 現(xiàn)場應(yīng)用

        4.1 完井作業(yè)

        2022 年,在海上某口井的完井作業(yè)過程中,生產(chǎn)管柱采用射流泵一體化管柱,高溫深井安全閥隨管柱一起下入,相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

        表2 生產(chǎn)管柱用2-7/8"EU 高溫深井安全閥參數(shù)

        本井高溫深井安全閥下入斜深:1372 m;下入垂深:985 m。具體作業(yè)情況如下:1)入井前檢查情況。液控管線一端使用專用1/4〞接頭與高溫深井安全閥接口連接、打緊,確認(rèn)接口密封完好,手壓泵緩慢打壓,觀察安全閥開啟情況并記錄開啟壓力,繼續(xù)打壓至7500 psi×15 min,泄壓,記錄開啟壓力和關(guān)閉壓力。2)下入情況。連接射流泵工作筒和高溫深井安全閥工具串:4-1/2"BTC P110 21.6#隔熱油管短節(jié)+2-7/8"EU B×4-1/2"BTC P 變扣+2-7/8"EU B×2-7/8"EU P 高溫深井安全閥+3-1/2"EU B×2-7/8"EU P射流泵工作筒+3-1/2" EUE N80 9.3#油管短節(jié)+4-1/2"BTC B×3-1/2" EU P 變扣。

        高溫深井安全閥上部1 根油管處對高溫深井安全閥控制管線纏繞10~15 圈,連接高溫深井安全閥控制管線,高溫深井安全閥帶壓7500 psi 下入。按照完井工程施工設(shè)計,安全閥按步驟順利下入,隨后安裝采油樹,完井作業(yè)結(jié)束。

        4.2 投產(chǎn)作業(yè)

        在注熱(350℃高溫高壓熱流體)作業(yè)完成后,該井開始進(jìn)行放噴作業(yè)。在放噴過程中,回溫下降,產(chǎn)氣量減少,井口控制盤處的井下安全閥控制壓力逐步下降至零;現(xiàn)場井口控制盤打壓1200 psi 時無法繼續(xù)升壓,改用用手壓泵再次進(jìn)行壓力測試,測試結(jié)果與井口控制盤一致。對高溫深井安全閥全流程液控系統(tǒng)的分析,結(jié)合陸地的室內(nèi)試驗情況,初步判斷該井高溫深井安全閥液控系統(tǒng)存在連接脫開導(dǎo)致液壓壓力無法傳遞至安全閥內(nèi)的液壓艙。

        4.3 強開作業(yè)

        由于注熱已經(jīng)完成,安全閥液控系統(tǒng)失效后,生產(chǎn)流道不暢通,因此無法實現(xiàn)油井生產(chǎn)。為盡快使該井投產(chǎn),結(jié)合生產(chǎn)需求,決定對該井下入強開工具后進(jìn)行投產(chǎn)。

        井下安全閥強開工具上部為絲扣連接,下部為斜臺階面。該工具接在射流泵注采一體化生產(chǎn)管柱內(nèi)管柱的最下端,以上分別接射流泵工作筒內(nèi)泵筒及油管。

        具體作業(yè)情況如下:1)卸開起出的射流泵內(nèi)泵筒導(dǎo)向護套,連接井下安全閥強開工具。2)按下入順序連接下入。射流泵內(nèi)泵筒(原井內(nèi)泵筒,重新更換密封圈)+油管短節(jié)+油管。將連好的生產(chǎn)管柱內(nèi)管依次下入井內(nèi)對應(yīng)位置。3)當(dāng)井口懸重負(fù)荷降為零時,說明射流泵內(nèi)泵筒已全部插入射流泵工作筒定位位置。同時,井下安全閥已打開,管柱內(nèi)外與地層已充分溝通。對管柱進(jìn)行試壓,驗證管柱是否插入位。由于井內(nèi)已完成注熱作業(yè),井內(nèi)壓力較高,因此在下入的過程中應(yīng)做好井控工作。

        此時,井下安全閥在強開工具及管柱的自身質(zhì)量作用下(約5 t),推動井下安全閥的流動管(流動管的推動力為0.5 t),從而由流動管推動井下安全閥閥板打開,并維持長期打開的狀態(tài)。在井下安全閥強開后,該井保持正常生產(chǎn),日產(chǎn)液指標(biāo)等均達(dá)到設(shè)計值。

        5 結(jié)論

        通過室內(nèi)測試及現(xiàn)場應(yīng)用表明,高溫深井安全閥用全金屬的密封結(jié)構(gòu),能在常溫至350 ℃的高溫下正常工作。配套的強開工具設(shè)計合理,滿足技術(shù)要求,并能成功開啟高溫深井安全閥。

        由于高溫及防腐等方面的要求,高溫深井安全閥配套使用的控制管線及卡套接頭等需要特殊材質(zhì)的連接可靠性,導(dǎo)致高溫深井安全閥液控系統(tǒng)失效。后續(xù)需要進(jìn)一步對高溫深井安全閥配套的控制管線及卡套接頭進(jìn)行測試及改進(jìn)。

        在射流泵一體化管柱完成一到兩輪的注熱投產(chǎn)周期后,建議對高溫深井安全閥及配套的液控系統(tǒng)進(jìn)行全面拆解與分析,為后續(xù)工具的設(shè)計與改進(jìn)提供有益的建議。

        高溫深井安全閥已完成了室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應(yīng)用,在跟蹤使用情況的同時,有針對性地進(jìn)行改進(jìn)后,使該工具在海上稠油井中得到推廣。

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