長行程管柱補償器的研制與應用

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(冀東油田 鉆采工藝研究院，河北 唐山 063004)

長行程管柱補償器的研制與應用

肖國華，黃曉蒙，王金忠，王瑤，郝夏蓉

(冀東油田 鉆采工藝研究院，河北 唐山 063004)

現(xiàn)有的管柱補償器存在下井過程中受到尾管重力的影響提前啟動、補償距離短、不能全程傳遞轉(zhuǎn)矩等問題。研制了長行程管柱補償器。該管柱補償器主要由啟動部分、補償密封部分組成。采用液壓開啟，根據(jù)管柱的伸長或縮短量自動補償；啟動保護結(jié)構(gòu)有效解決了提前啟動的難題；通過改進補償密封機構(gòu)，增大了補償距離；設計滑塊機構(gòu)，全程傳遞轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)場應用情況表明，該管柱補償器成功率達100%，有效減少管柱蠕動，延長封隔器等井下工具使用壽命，減少作業(yè)工作量。

管柱；補償器；結(jié)構(gòu)；試驗

Abstract：Due to existing string compensators incur the following problems such as easy pre-starting influenced by liner weight during getting into well，with short telescopic compensation distance and difficult transmitting torque，and a long-stroke string compensator was developed.The compensator is composed of starting part and compensation sealing part.Started by hydraulic pressure，the compensator can expand or contract automatically according to the length variation of the pipe string.Protection mechanism designed in starting part to avoid early start and compensation sealing mechanism improved to increase the compensation distance.Meanwhile，slider mechanism designed for transmission torque in full range.Field scale application show that success rate of telescopic compensation is 100%.So it can effectively eliminate the creep of the string，prolong the service life of the downhole tools，such as packer，as well as reduce the work of operation.

Keywords：pipe string；compensator；structure；test

冀東油田南堡陸地深層低滲透油藏具有埋藏深、儲層物性差、天然能量弱等特點，注水井存在吸水能力低、啟動壓力高等問題，對注水管柱的耐壓性能要求較高。在滿足注水壓力要求的同時，還要考慮管柱的蠕動問題。因受注水溫度、壓力及工作狀態(tài)變化影響較大，原有管柱補償器的補償距離短、下管過程易提前開啟等缺點，不能有效解決管柱的蠕動問題[1-10]，使注水封隔器提前失效及錨定器自動解卡，導致分層注水失效。

為解決以上難題，研制了管柱補償器。該工具耐溫150 ℃，耐壓差50 MPa，具有液壓開啟、自動補償距離長等優(yōu)點，能夠有效補償井下管柱的伸長或縮短，減少管柱因地層溫度和壓力變化造成的管柱蠕動，解決了封隔器提前失效等問題，有效延長了管柱的使用壽命，在高溫高壓采油、高壓注水、分層壓裂等領域應用廣泛。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

管柱補償器主要由啟動部分、補償密封部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，啟動部分主要由彈簧爪、銷釘和鎖套部分組成；補償密封部分主要由凹支撐環(huán)、耐磨密封環(huán)和凸支撐環(huán)組成。

1—上接頭；2—外管；3—密封圈；4—壓帽；5—凹支撐環(huán)；6—耐磨密封環(huán)；7—凸支撐環(huán)；8—內(nèi)管；9—滑套；10—滑塊；11—彈簧爪；12—銷釘；13—鎖套；14—支撐套；15—活塞套；16—活塞；17—下接頭。圖1 管柱補償器結(jié)構(gòu)示意

管柱補償器外管通過螺紋與上接頭和彈簧爪連接，內(nèi)管下端通過螺紋與活塞套、鎖套及下接頭相連。彈簧爪插入鎖套，和支撐套之間鎖緊并用剪釘與支撐套固定。井口加壓，液壓從管柱補償器內(nèi)管的傳壓孔傳遞到活塞，推動活塞上行。當油管加壓至20 MPa時，剪釘剪斷，支撐套上行，彈簧爪徑向回縮解鎖，內(nèi)管與外管產(chǎn)生軸向相對運動，此時管柱補償器啟動。當管柱收縮時，管柱補償器在張力作用下內(nèi)外管發(fā)生相對運動而工作，從而起到自動補償管柱伸縮量作用。

2 主要技術(shù)特點及參數(shù)

1) 液壓開啟，消除坐封壓力和尾管重力的影響。

2) 補償距離長，適應范圍廣。

3) 采用高溫高壓耐磨組合密封件，密封效果好、壽命長。

4) 全程傳遞轉(zhuǎn)矩，滿足旋轉(zhuǎn)作業(yè)施工需要。

管柱補償器的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 管柱補償器主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)設計特點

1) 液壓啟動結(jié)構(gòu)獨立設計，彈簧爪插入鎖套并與支撐套之間鎖緊，下井過程中尾管重力通過鎖套作用在外管上，剪釘不受力，故不會提前啟動。當封隔器等工具坐封后，提高壓力推動活塞上行，剪斷銷釘，彈簧爪與鎖套脫離，啟動補償。

2) 全程轉(zhuǎn)矩傳遞及長補償距離設計，外管與滑套緊連，內(nèi)管外全程設計滑槽，滑塊安裝在滑套孔槽和內(nèi)管滑槽內(nèi)，使得內(nèi)管與外管徑向固定，不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，便于旋轉(zhuǎn)上緊油管和后期倒扣打撈。因為是滑塊在槽內(nèi)滑動，因此便于增加外管和內(nèi)管的長度，可以根據(jù)需要增加補償距離。

3) 補償密封部分采用多組高分子復合密封材料，耐高溫高壓，耐磨性好、壽命長。

4 室內(nèi)試驗

為了檢驗管柱補償器啟動壓力、耐溫耐壓性能和傳遞轉(zhuǎn)矩性能等各項性能和技術(shù)指標，進行了室內(nèi)試驗。具體試驗步驟如下：

1) 啟動和傳遞轉(zhuǎn)矩性能試驗。將管柱補償器上端固定在試驗臺上，上端連接試壓泵，下端連接絲堵，試驗流程連接如圖2所示。由試壓泵緩慢加壓，直至銷釘剪斷，記錄此時的啟動壓力。繼續(xù)加壓至管柱補償器伸長1.5 m后停止，在管柱補償器下端加轉(zhuǎn)矩3 200 N·m，驗證轉(zhuǎn)矩傳遞能力。若管柱補償器上接頭無轉(zhuǎn)動，說明傳遞轉(zhuǎn)矩。繼續(xù)加壓，管柱補償器繼續(xù)伸長，直至管柱補償器長度不再變化，測量此時伸縮距離。在管柱補償器下端加轉(zhuǎn)矩3 200 N·m，繼續(xù)驗證轉(zhuǎn)矩傳遞能力。

圖2 常溫地面試驗流程示意

2) 耐溫耐壓性能試驗。將管柱補償器在地面裝配好，下端連接絲堵，放置于139.7 mm(5英寸)油浸罐試驗罐中，固定好井口，試驗流程連接如圖3所示。常溫下加壓20 MPa啟動管柱補償器，穩(wěn)壓15 min后泄壓。井筒加溫至150 ℃，循環(huán)480 min至井筒內(nèi)溫度穩(wěn)定。內(nèi)管緩慢加壓至50 MPa(外部放空)，穩(wěn)壓15 min若壓力不降，說明耐壓合格。

3) 試驗結(jié)果。管柱補償器室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)如表2。

由表2看出，管柱補償器啟動壓力達到20 MPa，耐溫耐壓試驗顯示其工作溫度150 ℃，工作壓差可達50 MPa，補償距離3 m，可傳遞轉(zhuǎn)矩。綜合各項試驗數(shù)據(jù)，管柱補償器各項技術(shù)指標均達到了設計要求。

圖3 高溫高壓性能試驗流程示意

試驗序號啟動壓力/MPa最大補償距離/m可傳最小轉(zhuǎn)矩值/(N·m)設計壓力/MPa溫度/℃試驗壓力/MPa120．2332005015050．5220．0332005015050．1320．1332005015050．2

5 現(xiàn)場應用

自2014年以來，管柱補償器在冀東油田的高壓注水井、壓裂施工、天然氣生產(chǎn)等現(xiàn)場應用80余井次，最大下入深度4 500 m，最大工作壓力42 MPa，工作溫度152 ℃，成功率達100%，密封可靠，工作壽命達到2 a以上。

6 結(jié)論

1) 該管柱補償器可用于天然氣井生產(chǎn)、分層采油、注水、酸化壓裂等多種工藝措施。

2) 該管柱補償器具有獨立液壓啟動、全程轉(zhuǎn)矩傳遞、補償距離長、高分子復合密封等特點，施工操作簡單、成功率高，耐磨防腐，工作壽命長。

3) 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應用表明，該管柱償器的工作溫度達到150 ℃，耐壓差50 MPa，補償距離為3 m，且全程傳遞轉(zhuǎn)矩，滿足了高壓分注、高溫高壓采油采氣、分層壓裂等工藝的需求。

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DevelopmentandApplicationofLong-strokeStringCompensator

XIAO Guohua，HUANG Xiaomeng，WANG Jinzhong，WANG Yao，HAO Xiarong

(DrillingandProductionTechnologyResearchInstitute，JidongOilfield，Tangshan063004，China)

TE934.403

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.012

1001-3482(2017)05-0058-03

2017-04-27

肖國華(1966-)，男，高級工程師，1989年畢業(yè)于江漢石油學院采油工程專業(yè)，現(xiàn)從事機械采油及井下工具研究工作，E-mail：xgh320@126.com。