海上油田新型機械防污染工具研究與應用

羅建偉 劉傳剛 李瑞豐 王堯 王世強 張云馳

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司

海上油田常用電泵采油的生產方式，檢泵、換泵是最頻繁的修井作業，在起管柱前通常要進行洗井，對于地層能量不足的油井，洗井時洗井液常常會漏失至地層，造成儲層污染以及復產見油期延長。海上油田常規應用的機械防污染工具存在使用時間長、容易失效的風險，主要表現為注酸通道開啟壓力不準，在大斜度井中丟手困難等。為解決上述問題，研制了一種新型機械防污染工具，避免洗井液漏失至地層，一次下入可確保在多次洗井時有效，修井成本低［1-4]。

1 技術分析

1.1 結構原理

新型機械防污染工具與丟手工具配套使用，丟手工具結構如圖1 所示。與常規的機械丟手工具相比，液壓丟手作業更加簡單，可適用于大斜度井和水平井。丟手工具具有扭矩傳遞功能，上部管柱轉動時可將扭矩傳遞到新型機械防污染工具上，內部彈性爪不發生轉動，大大降低彈性爪遇卡的風險；油管內投入鋼球加壓剪切銷釘后，球座推動內套下移，彈性爪失去內部支撐，上提管柱即可將丟手工具的接箍、油管短節、彈性爪、鋼球、球座、連接環和限位環起出，打撈筒及其他部件留在井下,便于后期打撈。

圖 1 丟手工具Fig. 1 Releasing tool

新型機械防污染工具結構如圖2 所示，先通過丟手工具將新型機械防污染閥和定位密封插入到頂部封隔器內完成丟手。新型機械防污染工具最上部設置有小凡爾，洗井時洗井液被小凡爾封堵，無法漏失至地層。機械防污染工具中部和下部設有大凡爾，由于海上油田通常洗井壓力在3 MPa 以內，因壓縮彈簧預緊安裝，洗井液無法壓開大凡爾漏失至地層。后期油井需要酸化時，注入壓力高于8 MPa 即可保證酸液壓開2 個大凡爾并進入地層。注酸通道開啟壓力可根據油井實際虧空情況進行調節，通常情況下，注酸通道開啟壓力高于虧空液柱壓力4 MPa即可阻止洗井液漏失至地層。在正常生產時，產液從機械防污染工具下部進入到內部夾壁腔，通過橋式凡爾閥座內的環形通道，經過大凡爾罩夾壁腔，最后頂開小凡爾流入至套管中，通過電泵舉升至地面管線［5-7]。與原有的機械防污染工具相比，新型機械防污染工具增設了扶正機構，使新工具適用于大斜度井和水平井；彈簧調節機構進行優化設計，使其具有較好的防腐性能和良好的調節性能，新工具壽命大大延長。

圖 2 新型機械防污染工具Fig. 2 The new mechanical anti-contamination tool

1.2 作業步驟

工具入井時，工具串組合(從下至上)：配重油管+定位密封工具+新型機械防污染工具+液壓丟手+油管，完成工具串丟手后，下入電泵管柱即可進行生產作業，如圖3 所示。作業步驟：(1)工具丟手。當工具串下入井中直至定位密封工具插入到封隔器內實現密封定位后，從油管投入?57 mm 鋼球，井口加壓10 MPa，丟手工具剪釘被剪切，上提管柱即完成新型機械防污染工具的投放。(2)正常生產。下入電泵生產管柱，啟泵生產。產液通過配重油管內腔進入，流經新型機械防污染工具內部，頂開上部小凡爾，進入到上部套管中從而被泵入至地面管道。(3)洗井。常規洗井或換管柱作業時，洗井壓力不足以打開酸化通道，洗井液不會漏失至地層。(4)酸化。進行酸化施工時，環空泵入酸液，當壓力達到設定值后酸化通道開啟，停注后在壓縮彈簧回復力的作用下酸化通道自動關閉。

圖 3 生產管柱Fig. 3 Production string

1.3 注酸通道壓縮彈簧性能校核

壓縮彈簧的自由長度為398 mm，安裝后長度372 mm，設計壓縮彈簧最小工作負荷為8 139 N，最大工作負荷為11 000 N。通過調節筒調節彈簧壓縮量，使注酸通道開啟壓力為8 MPa，此時測量調節筒與大凡爾罩之間的距離從63 mm 縮減至35 mm，此時彈簧壓縮后的長度為344 mm，與設計值347 mm接近，其中注酸通道液壓作用的直徑為?36 mm，則計算彈簧所受力為

式中，P 為作用在大凡爾上的壓差，Pa；A 為大凡爾上有效的液壓作用面積，m2。

彈簧受力與最小工作負荷8 139 N 基本一致，彈簧性能滿足設計要求。

1.4 丟手工具彈性爪仿真分析

設計的彈性爪機構共有12 個爪，沿中心軸線均勻分布（見圖4）。彈性爪所用材料為40CrMnMo，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為780 MPa，摩擦因數0.1。利用SolidWorks 軟件建立彈性爪的三維模型。

圖 4 彈性爪三維模型Fig. 4 3D model of elastic claw

將彈性爪模型導入ANSYS 軟件，建立三維有限元分析模型，其網格劃分采用六面體單元。在彈性爪右端施加固定約束，在彈性爪左端爪牙受力斜面處施加3×105N 的拉力。圖5 為彈性爪結構應力分布云圖，可以看出，彈性爪最大等效應力發生在爪根部位置，最大應力達到789 MPa，由于爪根部位置是斜面和圓弧面相交，存在應力集中現象，其影響面積較小，可通過倒圓處理避免彈性爪在受拉時變形失效。通常現場彈性爪承受拉力不足1×105N，所承受的應力遠遠小于789 MPa，可以現場使用要求。

圖 5 彈性爪靜載下應力分布云圖Fig. 5 Stress distribution cloud image of elastic claw under static load

建立彈性爪在脫手時的有限元分析模型，如圖6所示。由于外套為剛體，不進行網格劃分，且為了提高計算效率，截取1/4 剖面部分進行分析計算。彈性爪軸向運動過程中，測量拉力變化曲線如圖7 所示。彈性爪從外套擴徑處拔出，作用力逐漸增大；當彈性爪受到最大程度的擠壓時，作用力瞬間增至最大，其最大軸向載荷為372 N，整個彈性爪軸向載荷為1 488 N。在現場作業時，該軸向載荷不會對定位密封等井下工具產生誤動作［8-10]。

1.5 技術特點

(1)在結構上，新型機械防污染工具采用全金屬密封設計，工具適用150 ℃以上高溫井，且優化了扶正機構，工具適用大斜度井和水平井。

圖 6 彈性爪1/4 剖面部分三維模型Fig. 6 3D model of 1/4 elastic claw section

圖 7 彈性爪軸向拉力載荷變化曲線Fig. 7 Variation of axial tensile load of elastic claw

(2)在彈簧調節結構方面，新型機械防污染工具增設了軸承，解決了防污染工具在調節壓縮彈簧壓縮量時，大凡爾與大凡爾座發生摩擦易造成金屬密封失效的問題；同時對彈簧進行優化設計，采取特殊的防腐處理工藝，使工具具有較好的防腐性能和良好的調節性能，工具壽命大大延長。

(3)在工具投入方式方面，采用配套的液壓丟手工具可完全避免機械丟手工具在大斜度井中丟手困難的問題。

1.6 主要技術參數

主要技術參數如表1、表2 所示。

2 現場應用

渤海NB35-2 油田某水平井深1 491 m，防砂頂部封隔器深1 237 m，該處井斜86°，套管尺寸?224 mm。新型機械防污染工具連接在丟手管柱上，組裝下入丟手管柱：?73 mm 斜口引鞋+?73 mm UP TBG 倒角油管+?152.4 mm 定位密封+變扣(?88.9 mm UP TBG BOX×?73 mm TBG PIN)+新型機械防污染工具+配套丟手工具+變扣(?73 mm TBG PIN×?88.9 mm UP TBG BOX)+?88.9 mm UP TBG 油管短節+?88.9 mm UP TBG 油管。

現場作業過程：(1)下入丟手管柱，其中新型機械防污染閥下入深度1 237 m，井斜為86°。(2)下鉆到位，測試上提管柱懸重320 kN，下放管柱懸重310 kN；下壓管柱30 kN 試插入定位密封，過提管柱50 kN 拔出；井口配管，連接管線，正循環補液。(3)再次插入確認管柱到位后，關閉環形防噴器，正擠，持續開泵，泵壓升至8 MPa 后，壓力保持穩定，新型機械防污染工具注酸通道開啟。(4)停泵泄壓，井口投入?57 mm 鋼球，連接管線，開泵正循環送球，泵排量5 m3/h，泵壓0.5 MPa，累計正循環40 min，泵壓逐漸升高；升至10.5 MPa，脫手成功。(5)停泵泄壓，上提管柱3 m，關閉環形防噴器，持續開泵，泵壓升至8 MPa 后，壓力保持穩定，表明新型機械防污染工具注酸開啟壓力穩定。該井本次作業下入新型機械防污染工具，應用前漏失量195 m3，作業后無漏失，含水恢復期僅為6 d(上次修井含水恢復期為25 d)，防污染工具下入后，儲層保護效果明顯。

表 1 丟手工具技術參數Table 1 Technical parameters of releasing tool

表 2 機械防污染工具技術參數Table 2 Technical parameters of mechanical anticontamination tool

3 結論

(1)壓縮彈簧及其調節結構的設計不合理是引起機械防污染工具注酸通道開啟壓力不準確的主要原因。

(2)研究中的新型機械防污染工具與配套的液壓丟手工具，適用于在大斜度和水平井中應用；注酸通道開啟壓力調節范圍為8～16 MPa，能滿足海上油田應用的需求。

(3)該新型防污染工具的不足之處在于生產時壓縮彈簧與產液接觸，長時間彈簧會發生腐蝕，影響注酸通道開啟壓力，彈簧的防腐工藝和彈簧的腔體密封設計將作為下一步的研究方向。