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撞击式静液压油管桥塞的研制与应用
张伟1, 冯波2, 张余贵2, 苏腾飞3, 李丽4, 董爱粉2     
1. 中原石油工程公司一公司 ;
2. 中原油田分公司石油工程技术研究院 ;
3. 中原石油工程公司四公司 ;
4. 中石化中原油建工程有限公司
摘要: 针对滑块式油管堵塞器在不压井起管柱作业油管内堵塞密封中出现的自密封皮碗易磨损失效问题,研制了撞击式静液压油管桥塞。该油管桥塞采用单级双向楔形卡瓦和带防凸保护的大变径压缩式密封胶筒,并设计了静液压坐封系统及撞击控制指令系统,实现了液压输送、地面投棒撞击发射坐封指令以及静液压系统接收指令启动坐封程序完成油管内密封过程。该油管桥塞在中原油田规模化应用80余井次,配合地面环空密封设备及液压动力控制系统完成不压井起管柱作业,其中最大密封深度3 919 m,最高密封压力为24 MPa,现场应用成功率100%,解决了不压井作业遇到的各种管柱油管内堵塞密封问题。该产品的研制成功为不压井作业油管内堵塞密封提供了可靠的技术支持。
关键词: 带压作业     管内密封     油管桥塞     真空静压     撞击式     楔形卡瓦    
Development and Application of Percussive Hydrostatic Tubing Bridge Plug
Zhang Wei1, Feng Bo2, Zhang Yugui2, Su Tengfei3, Li Li4, Dong Aifen2     
1. No. 1 Company of Zhongyuan Petroleum Engineering Company ;
2. Petroleum Engineering Technology Research Institute, Zhongyuan Oilfield Company ;
3. No. 4. Company of Zhongyuan Petroleum Engineering Company ;
4. Zhongyuan Petroleum Construction Company, SINOPEC
Abstract: Sliding block tubing plug in snubbing operation usually presents wear and failure of self-sealing seal cup in the tubing string, a percussive hydrostatic tubing bridge plug has been developed.The tubing bridge plug integrates single-stage two-way wedge slips and large adjustable compression seal rubber barrel with anti-projection protection.The hydrostatic packer system and the impact control command system have been designed, thus achieving hydraulic conveying, ground send stick percussion type setting instruction, hydrostatic system receiving instruction to start the setting program and complete tubing sealing process.The tubing bridge plug for snubbing job has been applied in more than 80 wells in Zhongyuan Oilfield.With the ground annular sealing equipment and hydraulic power control system, the bridge plug completed snubbing job, with the maximum sealing depth of 3 919 m, the highest sealing pressure of 24 MPa.With the test success rate of 100%, the new developed bridge plug has addressed theinner tubing plugging and sealing issue during snubbing job, providing a reliable technical support for inner tubing plugging and sealing for snubbing job.
Key words: snubbing job     tube seal     tubing bridge plug     vacuum hydrostatic     percussive     wedge slips    

0 引 言

不压井作业[1]可避免压井污染地层或放压损失地层能量,实现井下保护产能[2]和地面保护环境[3],同时作业安全、施工效率高,能达到油田增产、节能、环保和提高开发效益的目的。在长期应用和发展中,地面环空密封及控制技术比较完善[4],而油管内堵塞密封技术还有待提高[5]。表现在前期使用的油管堵塞密封工具多采用钢丝绳作业进行投送坐封和捞取[6],受坐封原理及钢丝绳强度的限制,常出现下入不到位、卡封不严及捞出困难等问题。“十二五”期间,中原油田分公司石油工程技术研究院开展了不压井作业油管内密封配套工具研究,取得了多项创新成果。其中,新型井下多功能密封器[7]彻底解决了下管柱时油管内堵塞密封及作业后的连通问题,用于起管柱的滑块式油管内堵塞器[8] 实现了液压投送自动密封,避免了钢丝绳作业油管堵塞器存在的一系列问题,在中原油田取得了较好的应用效果。但下入过程皮碗及卡瓦始终贴于油管内壁,使其之间不可避免地形成摩擦互损,对于结蜡和结垢严重的井段,可能出现自密封皮碗被摩擦剐蹭损坏而失去密封作用的情况。“十二五”后期,又研制出二代液压投送的起管柱用油管内堵塞密封工具——撞击式静液压[9]油管桥塞。该油管桥塞在不改变液压投送的原则下,将自密封皮碗改为轴向压缩径向扩张密封的压缩式胶筒[10],其最大外径小于相应密封油管内径10 mm,从原理上避免下井过程油管对卡瓦和密封胶筒摩擦产生的相互损坏问题,提高了不压井作业起管柱油管内堵塞密封的成功率。

1 技术分析 1.1 结构

撞击式静液压油管桥塞由撞击头、剪钉、锁块、锁块托、锁块套、密封圈、活塞、中心杆、锁环套、锁环、卡瓦托、楔形卡瓦、楔形体、胶筒护碗、压缩式胶筒和导向头组成,其结构如图 1所示。该油管桥塞具备带保护的胶筒密封及自锁机构、双向卡瓦卡定结构、静液压坐封动力系统和撞击控制指令系统4个部分。

图 1 撞击式静液压油管桥塞结构图 Fig.1 Structural schematic of percussive hydrostatic tubing bridge plug

1.2 工作原理

撞击式静液压油管桥塞首先依靠其自重入井,液体正循环辅助推动下行。下入过程撞击控制指令系统将静液压坐封动力系统锁定,保证其在任何压力环境下都不会动作坐封;当遇到结蜡和结垢严重的油管缩径段受阻时,节流压差自动产生向下的推力使其克服阻力继续下行,且阻力越大其产生的向下的推力就越大,保证下到预期位置。地面投入撞击杆发出解锁坐封指令,撞击头收到撞击指令后下行至缩径段并正好对准锁块部位,锁块内失去支撑使撞击控制指令系统的锁定装置解锁。静液压坐封动力系统在活塞腔内、外压差的作用下(腔内、外压差是该深度的液柱静压和井口压力之和)动作,活塞首先推动锁环套并带动卡瓦托向导向头靠近,下行过程中卡瓦沿楔形体的斜面向外扩张卡定在油管内壁上。在活塞下行过程中胶筒轴向压缩径向扩张[8]密封油管内通径,上、下胶筒护碗变形贴在油管内壁上保护胶筒[8],同时自锁机构完成自锁,使胶筒轴向只能压缩不能反弹[9],达到永久密封的目的。

不压井作业起管柱时,将该撞击式静液压油管桥塞投入到待起管柱内密封位置(水井管柱最上端的配水器或封隔器、油井管柱深井泵位置,如果是光油管管柱,则需要先投入井下定位卡定器),井口投一撞击杆,撞击控制指令系统使静液压坐封动力系统解锁即启动坐封程序完成卡定密封。对于深度较浅井,静液压不满足坐封条件时,可以对地面油管适当加压,在加大坐封力的同时也可验证管柱的密封能力,从而保证其密封可靠,实现不压井作业起管柱的安全施工。

1.3 主要技术参数

长1 000 mm,最大外径52 mm,适用油管外径:63.5 mm(内径62 mm),耐压指标30 MPa,耐温指标135 ℃,最大锚定力90 kN,;下入深度≤ 4 000 m。

1.4 主要技术创新点

(1) 肩部带防凸保护的密封胶筒及单级双向楔形卡瓦的大变径设计,使撞击式静液压油管桥塞外径较小,可以通过小井口进入并堵塞密封大油管,适应面广,施工方便。

(2) 坐封自锁机构设计,使其坐封过程压缩式胶筒只能轴向压缩不能反弹,保证撞击式静液压油管桥塞卡定安全、密封可靠。

(3) 静液压坐封动力系统及其撞击控制指令系统设计,使撞击式静液压油管桥塞潜入井下一定深度时,地面发出指令时启动坐封动作完成密封,既利用了静液压能量坐封,同时保证其下到预定深度,且地层压力越高其密封卡定能力越强。

2 室内试验 2.1 试验装置

针对撞击式静液压油管桥塞的用途、试验方法及试验要求设计专用的试验装置。该装置由油管短节、油管接箍、接泵接头、带阀门丝堵以及配套的试压泵组成,其结构如图 2所示。

图 2 撞击式静液压油管桥塞试验装置图 Fig.2 Percussive hydrostatic tubing bridge plug test device

2.2 试验内容及过程 2.2.1 撞击控制指令系统的锁定装置锁定性能试验

撞击式静液压油管桥塞的撞击控制指令系统锁定装置调整至锁定状态后丢入图 2的专用的试验装置中,关闭阀门后在接泵接头一端接泵加压,模拟其下井过程的任何压力状态。分多点加压,最高试验30 MPa,稳压10 min,打开阀门试压泵压力降为0 MPa。卸开试压接头检查,撞击式静液压油管桥塞器处于原始状态,没有坐封迹象。通过5套次试验,证明锁定装置安全可靠,在没有开启锁定装置之前撞击式静液压油管桥塞在任何压力环境下都不会坐封。

2.2.2 撞击控制指令系统的锁定装置解锁性能试验

撞击式静液压油管桥塞的解锁撞击头通过撞击到达解锁位置,重复步骤2.2.1节的试验过程,试验压力升压至5 MPa听到剪钉被剪断的声音,继续加压到15 MPa完成坐封,打开阀门有部分液体流出,泵压稳定不降,说明撞击控制指令系统锁定装置在解锁状态,一定的压力环境下会完成坐封。

2.2.3 整体卡定堵塞密封性能试验

卸掉完成解锁坐封试验装置的试压接头一端的试压泵,将泵改接在阀门上并保持畅通状态,分5 MPa一个试验点,每个点稳压15 min观察记录漏失和位移情况,最高试压30 MPa,均不刺不漏,更没有位移现象,证明撞击式静液压油管桥塞密封压差不小于30 MPa,卡定安全可靠。

2.3 室内试验结果

撞击式静液压油管桥塞试验5套,全部合格,达到设计标准,满足现场使用要求,试验结果见表 1

表 1 撞击式静液压油管桥塞坐封性能及密封试验结果 Table 1 The setting performance and sealing test results of percussive hydrostatic tubing bridge plug
锁定解锁试验坐封压 力/MPa耐压差试验结果
密封压力 /MPa稳压时间 /min压降 /MPa
灵活可靠16.030150合格
灵活可靠16.529150合格
灵活可靠15.030150合格
灵活可靠15.031150合格
灵活可靠16.030150合格

3 现场应用

撞击式静液压油管桥塞于2014年6月首先在中原油田分公司采油四厂进行现场应用,截至2015年12月,在中原油田各采油厂油、气、水井用于不压井作业起管柱油管内堵塞密封共80余井次,配合地面环空密封设备及液压动力控制系统,其中最大密封深度3 919 m,最高密封压力为24 MPa,现场应用成功率100%,解决了不压井作业遇到的各种管柱的油管内堵塞密封问题,为不压井作业油管内堵塞密封提供了可靠的技术支持。

4 结论及建议

(1) 撞击式静液压油管桥塞采用单级双向楔形卡瓦及肩部带防凸保护的密封胶筒,使其卡定密封直径范围很大,可以通过小井口进入并堵塞密封大油管,适应面广,施工方便;同时采用坐封自锁机构设计,使其坐封过程中胶筒轴向只能压缩不能反弹,从而保证其密封可靠性。

(2) 静液压坐封动力系统及锁定控制装置设计,实现液压输送和地层压力卡定坐封,变地层压力为坐封动力,地层压力越高,密封卡定能力越强,同时坐封启动受地面控制,解决了下井过程静液压满足坐封条件自动坐封下不到设计位置的问题。

(3) 大量现场应用结果证明,该撞击式静液压油管桥塞卡定力大、密封压力高、安全可靠,各项技术指标均达到现场使用要求,满足注采生产管柱、液压射(补)孔以及压裂、酸化等各种增产稳产措施管柱油管内堵塞密封的要求,能够配合井口不压井作业设备,实现不压井作业。

参考文献
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文章信息

张伟, 冯波, 张余贵, 苏腾飞, 李丽, 董爱粉
Zhang Wei, Feng Bo, Zhang Yugui, Su Tengfei, Li Li, Dong Aifen
撞击式静液压油管桥塞的研制与应用
Development and Application of Percussive Hydrostatic Tubing Bridge Plug
石油机械, 2016, 44(11): 80-83
China Petroleum Machinery, 2016, 44(11): 80-83.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.11.016

文章历史

收稿日期: 2016-05-17

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