分段壓裂用雙功能丟手工具研制

趙廣民，王治國(guó)，趙敏琦，張麗娟，張文星

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710021）①

油氣田現(xiàn)場(chǎng)使用的安全丟手工具主要有反扣丟手、液壓丟手和機(jī)械丟手3種丟手方式，功能單一，不能組合使用，或組合后工具串較復(fù)雜。隨著水平井的增多，特別是長(zhǎng)水平段裸眼氣井的完井工藝，需采用鉆桿將井下裸眼封隔器及完井管柱下入井內(nèi)。如果采用投球方式丟手，受井斜或其他因素影響，導(dǎo)致鋼球不到位或丟手壓力太高；如果采用旋轉(zhuǎn)丟手方式，存在管柱難以轉(zhuǎn)動(dòng)或井下工具串沒有完全固定，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)丟手失效的可能。因此，采用單一的丟手方式，當(dāng)丟手功能不可靠時(shí)，將給施工帶來(lái)極大的不方便，還可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。設(shè)計(jì)的雙功能丟手工具在總結(jié)現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)丟手及液壓丟手方式的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用反扣和液壓2種丟手方式，提高了丟手可靠性，確保井下管柱的順利丟手，避免造成復(fù)雜井下事故，降低施工風(fēng)險(xiǎn)［2］。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

雙功能丟手工具由下接頭、密封套、鎖爪等組成，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 雙功能丟手工具結(jié)構(gòu)

1）液壓丟手從中心管投入丟手鋼球，待鋼球落至雙功能丟手工具的滑套處后，給中心管加壓至20～22 MPa，剪切銷釘被剪斷，滑套下行。鎖爪失去滑套的限制后回彈，與密封套的鎖定失效，中心管與下接頭脫離，丟手成功。上提管柱，倒扣接頭、鎖爪、滑套及鋼球會(huì)隨中心管被提出密封筒，完成丟手。

2）機(jī)械丟手如果加壓至30 MPa仍無(wú)法丟手，則采用機(jī)械丟手方式。該方式是采用正轉(zhuǎn)管柱完成丟手的。正轉(zhuǎn)管柱時(shí)，中心管帶動(dòng)倒扣接頭、密封套一起正轉(zhuǎn)，由于密封套與下接頭之間為反扣連接，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于兩者之間阻力轉(zhuǎn)矩時(shí)，兩者便會(huì)脫開；上提管柱，中心管帶動(dòng)滑套、倒扣接頭、鎖爪、密封套及鋼球脫離密封筒，完成丟手。

2 技術(shù)參數(shù)

3 鎖爪強(qiáng)度校核

丟手工具除要求丟手性能安全可靠外，下鉆過(guò)程中還需要懸掛下部的管柱，所以其懸掛力的大小也是一個(gè)重要參數(shù)。下部管柱的重力是通過(guò)鎖爪作用在中心管上的，應(yīng)校核鎖爪的強(qiáng)度。鎖爪結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2，其材質(zhì)為35CrMo，屈服強(qiáng)度900 MPa。

圖2 鎖爪結(jié)構(gòu)

3.1 抗拉強(qiáng)度

3.2 抗剪切強(qiáng)度

在管柱下入過(guò)程中，由于下部管柱的自重，圖2中的A－A 截面處受到剪切力作用，丟手下部管柱按2500m計(jì)算，其管柱在泥漿中的自重力不大于500 kN，其剪切面積為

根據(jù)材料力學(xué)，材料的剪切極限等于0.6～0.8倍屈服強(qiáng)度，故該材料的剪切極限為540 MPa。所以，鎖爪的剪切力可達(dá)Q＝5849×540＝3158kN，安全系數(shù)為3158／500＝6.3，可以滿足使用要求。

經(jīng)過(guò)計(jì)算薄弱部位的抗拉和抗剪切強(qiáng)度得知，該丟手工具可以懸掛650kN的管柱，安全系數(shù)為：1217.3／650＝1.87，大于中石油規(guī)定的管柱抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)1.6。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)雙功能丟手工具的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計(jì)要求，在室內(nèi)進(jìn)行承壓試驗(yàn)、液壓及機(jī)械丟手試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～2。

表1 雙功能丟手工具液壓丟手試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 雙功能丟手工具機(jī)械丟手試驗(yàn)數(shù)據(jù)

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：該安全丟手工具的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。液壓及機(jī)械丟手后的部件分別如圖3～4。

圖3 液壓丟手后丟手前端部件

圖4 機(jī)械丟手部件

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

分段壓裂工藝原理為：利用鉆桿下入分段壓裂工具串，投球加壓坐封裸眼封隔器和懸掛封隔器，投球加壓或正轉(zhuǎn)管柱，丟手分壓工具串，再回接壓裂管柱；加壓打開第1級(jí)滑套，進(jìn)行第2段的壓裂。第1段施工結(jié)束后投球打開第2級(jí)滑套，進(jìn)行第2段壓裂，依次類推。在不動(dòng)管柱情況下，可實(shí)現(xiàn)水平井分段壓裂［3］。送入管柱結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 裸眼封隔器分段壓裂送入管柱結(jié)構(gòu)

截至2012－12，該安全丟手工具現(xiàn)場(chǎng)共應(yīng)用12口井，均采用液壓丟手，最高丟手壓力為24MPa，最低丟手壓力為20MPa，平均丟手壓力21.3MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

1）多功能丟手工具的結(jié)構(gòu)緊湊、合理，液壓、機(jī)械丟手靈活可靠，并且可以通過(guò)改變剪釘強(qiáng)度來(lái)調(diào)整液壓丟手壓力［4］。

2）機(jī)械丟手為右旋管柱丟手，避免了左旋管柱在丟手中引起管柱倒扣的風(fēng)險(xiǎn)，旋轉(zhuǎn)丟手可根據(jù)需要調(diào)整機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

3）室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該安全丟手工具的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，丟手可靠，降低了由于丟手不成功而導(dǎo)致的復(fù)雜井下事故的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］胡相君，王治國(guó)，馮長(zhǎng)青.機(jī)械液壓雙功能丟手接頭：中國(guó)，ZL201020532596.7［P］.2011－04－20.

［2］吳姬昊.石油工程專用丟手機(jī)構(gòu)的分析與研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，32（2）：63－65.

［3］王勵(lì)斌.水平井裸眼選擇性分段壓裂完井技術(shù)與工具［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（4）：70－74.

［4］李玉海.球掛式液壓丟手工具研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（2）：71－73.