可換向選擇性通過機械定位器的研究與應用*

張斌 包陳義 馬長亮 左凱 段威 王明杰

(1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著油氣田開發技術的不斷發展，各種集成新技術與高效作業技術得到了廣泛應用[1]，多工藝連續作業已經成為趨勢，這將導致井內作業管柱越來越復雜。在完井作業中，內層管柱和外層管柱需要多次相對移動調整位置以實現入井各工具的功能，因此管柱位置的準確定位和防竄至關重要。如裸眼井礫石充填防砂作業中，只有準確定位服務管柱與外層器材的相對位置，才可以進行充填加砂和充填作業完成后的反循環沖砂洗井作業[2-4]。而在一次多層礫石充填防砂作業中，為了保證不同產層的精準施工，需要利用井下定位工具來多次確定充填位置[5-6]。

目前，井下作業時地面可獲取位置的途徑較少，多采用套管接箍與定位工具相配合，現場通過下放、上提和旋轉管柱的方式，利用在井口顯示的懸重載荷變化間接確定管柱位置[7-9]。裸眼井礫石充填防砂作業中可采用單向簡易的下壓定位器來實現下壓充填作業[10]，而在一趟多層防砂作業中既可采用機械式定位器，也可采用井口施加液壓力的方式形成液壓定位工具[11]，但是都需要精確控制井筒壓力。

針對一次多層充填防砂作業，現有的常規定位工具具有一定的局限性，如采用旋轉換向的定位工具不適用于充填防砂管柱的找位，或者采用無換向功能的定位工具又不能滿足充填防砂作業大噸位下壓防止管柱竄動和選擇性通過的要求。因此，基于國內外技術現狀和高效作業的需求，本文研究了一種可換向選擇性通過機械定位器。該定位器通過與外層管柱中定位接箍的配合使用，可實現服務管柱的多次下壓準確定位，以及下壓通過與不通過的自由切換，為充填作業提供了保障。

1 重復定位工藝原理

一次三層充填防砂管柱組合示意圖如圖1所示，主要由外層防砂管柱和內層充填服務管柱組成[12]。充填作業時，只有保證內層充填服務管柱和外層防砂管柱相對準確位置，即在充填位置時，服務工具充填孔上、下密封單元與外層防砂管柱密封筒實現密封，正循環時攜砂液才可以通過充填孔和充填滑套進入篩管與套管的環空，最終完成充填防砂作業。

1—技術套管；2—充填服務管柱；3—頂部封隔器；4、6、9、11、14、16—密封筒；5、10、15—充填滑套；7、12、17—定位接箍；8、13—隔離封隔器；18—沉砂封隔器；19—機械定位器；20—密封單元。

一次三層防砂外層管柱每層均配置一個定位接箍，機械定位器連接在壓裂防砂的服務管柱。通過與定位接箍配合，機械定位器在定位接箍處下壓遇阻定位，同時充填滑套上、下密封筒與定位接箍具有近似的內徑，因此在密封筒處也可產生遇阻定位，根據3個遇阻點的位置即可在鉆臺準確判斷充填位置。

機械定位器具有換向功能，即在下壓定位狀態完成充填作業后，上提服務管柱再次下放則可通過定位接箍，而機械定位器設計為上提可通過定位接箍，因此定位器實現了在一次多層充填防砂作業中的重復定位。

2 技術分析

2.1 結構設計

根據常用的內通徑120.7 mm的一次多層防砂管柱，設計了可換向選擇性通過機械定位器，其具體結構如圖2所示。

可換向選擇性通過機械定位器的主要結構包括定位工作筒、換向總成和復位機構。定位工作筒最大外徑大于定位接箍內徑，直接與定位接箍配合實現定位；換向總成包括上連接套、換向套、導向銷和墊圈，換向總成與定位工作筒連接，通過導向銷在上心軸導向槽內的移動，確定定位和通過的相對位置；復位機構包括彈簧和墊片，當導向銷運動至上心軸的導向槽上極限位置時，彈簧壓縮力將推動換向總成和定位工作筒復位。

1—上接頭；2—墊片；3—彈簧；4—上心軸；5—滑動頭；6—上連接套；7—墊圈；8—下連接套；9—塑料墊圈；10—換向套；11—導向銷；12—定位工作筒；13—下心軸；14—下接頭；A1～A5—固定螺釘；B1、B2—密封圈。

2.2 工作原理

2.2.1 定位工作筒的壓縮與定位

籠式彈性懸臂梁結構具有結構簡單和工作可靠等優點，已廣泛應用于管柱定位及滑套開關等井下工具[13-14]。本文設計的機械定位器由沿圓周開設多個條形孔的籠式彈性懸臂梁結構定位工作筒來實現整套工具是否通過定位接箍。下壓定位狀態如圖3所示。在下壓時，當下心軸相對定位工作筒下移到二者在定位工作筒的底部限位時，定位工作筒凸臺與下心軸的支撐凸臺正對。由于定位工作筒凸臺最大外徑大于定位接箍的最小內徑且定位工作筒沿徑向不可壓縮，所以通過定位工作筒凸臺將整個定位器卡在定位接箍上，此時可從機械定位器上接頭施加所需的定位載荷。

1—定位工作筒；2—定位接箍；3—下心軸。

下壓可通過狀態如圖4所示。在下壓時，當下心軸相對定位工作筒下移到上心軸上部限位時，定位工作筒凸臺與下心軸的縮頸正對。由于定位工作筒凸臺具有下斜面且徑向可壓縮，所以整個定位工具可通過定位接箍。

1—定位工作筒；2—定位接箍；3—下心軸。

在上提服務工具時，定位器處于如圖5所示初始位置，即定位工作筒凸臺與下心軸的縮頸正對，定位工作筒凸臺具有上斜面且徑向可壓縮，因此整個定位工具始終可通過定位接箍。

1—定位工作筒；2—定位接箍；3—下心軸。

2.2.2 導向銷的換向

機械定位器上心軸如圖6所示。上心軸的下部外表面設計了相隔90°的長短兩對連續導向槽，上心軸的中部設計了圓周的外限位臺肩。換向總成的導向銷可在導向槽內自由移動，導向銷的移動同時帶動上連接套和工作筒在軸向移動。受下壓載荷且當上連接套的圓周內限位臺肩與上心軸的圓周的外限位臺肩相對時，導向銷只能移動到上長槽的中部，此時工作筒可壓縮，即機械定位器可通過定位接箍；當上連接套的圓周內限位臺肩不與上心軸的圓周的外限位臺肩相對時，導向銷可移動到上長槽的頂部，此時工作筒不可壓縮，即機械定位器在定位接箍處產生遇阻定位。

圖6 機械定位器上心軸示意圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical locator upper mandrel

如非定位狀態，當機械定位器通過定位接箍后再次上提通過定位接箍，或者在定位狀態，上提管柱后，在彈簧和工作筒小定位凸臺的作用下將實現定位狀態和非定位狀態的切換。

2.3 主要技術指標

3 關鍵技術

3.1 換向旋轉結構連接設計與校核

由于結構和安裝尺寸的限制，定位工作筒與下連接套之間采用Stub Acme特種矮牙梯形螺紋連接。工作筒螺紋連接處壁厚較小，復雜情況下上提遇阻時為整個工具的薄弱點，因此需要對該處進行強度校核。工作筒與下連接套連接處抗拉載荷計算公式為：

(1)

式中：P為抗拉載荷，N；d、D分別為管內徑和外徑，mm；σs為材料的屈服強度，MPa；S為安全系數，取值1.5。

工作筒在連接處，D=116.8 mm,d=109.0 mm，材質為AISI 4145H，調質后屈服強度不低于785 MPa。

通過計算，定位器在復雜情況下上提遇阻最大軸向拉伸載荷為724 kN，滿足井下復雜情況遇阻上提載荷要求。

3.2 定位工作筒設計與校核

定位工作筒是直接與定位接箍接觸的工件，在此產生定位器通過的阻力載荷和下壓的定位載荷，要求其在上提載荷下能夠收縮通過定位接箍，下壓載荷下工作筒內部有支撐時產生定位載荷，下壓載荷下工作筒內部無支撐時能夠收縮通過定位接箍。因此，定位工作筒要求具有一定的彈性，且在多次壓縮后不產生屈服變形。根據管柱通徑的要求，定位接箍最小內徑設計為121 mm，兩邊具有45°的倒角。定位工作筒下部設計為具有2段相間條形孔的籠式彈性懸臂梁結構，每段均沿周向開設8個寬度為10 mm的條形孔；每段懸臂梁中部均設計凸臺，上凸臺外徑為123 mm，下凸臺外徑為122 mm，凸臺寬度為5 mm，兩邊具有45°的倒角。定位工作筒結構示意圖如圖7所示。

圖7 定位工作筒結構示意圖Fig.7 Structural schematic of positioning working barrel

定位工作筒和定位接箍的材質均為AISI 4145H，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28，屈服強度和抗拉強度分別為785和980 MPa。

為分析定位工作筒與定位接箍的接觸載荷情況，采用ANSYS Workbench軟件建立了定位工作筒與定位接箍裝配有限元分析模型。定位工作筒兩端設置為固定約束，設置定位接箍移動距離15 mm，模擬定位器下壓通過定位接箍過程，分析結果如圖8所示。定位工作筒兩端設置為固定約束，工作筒內部設置剛性支撐，通過在定位接箍軸向施加200 kN載荷，模擬定位器與定位接箍下壓定位狀態，分析結果如圖9所示。

圖8 下壓通過定位接箍分析結果Fig.8 Analysis results of passing the positioning collar when down force is applied

圖9 下壓定位狀態分析結果Fig.9 Analysis results of positioning state when down force is applied

從圖8可以看出，當定位工作筒上凸臺進入定位接箍最小內徑時產生最大應力應變，最大應力出現在條形孔上端部，其值為408 MPa。從圖9可以看出，在下壓定位載荷200 kN的狀態下，最大應力出現在工作筒內部限位凸臺根部，其值為470 MPa。兩種狀態下最大應力值均小于材料取安全系數為1.5時的許用屈服強度(523.3 MPa)，因此定位工作筒結構設計合理，強度滿足設計要求。

4 室內試驗

機械定位器功能測試臺如圖10所示。在測試臺上進行定位器功能測試時，定位接箍總成夾緊在測試臺固定端，定位器與工裝連接裝夾在測試臺液驅移動端。定位器與定位接箍對中后，通過液驅移動端往復移動。定位器工作筒與定位接箍多次配合實現下壓通過、上提通過以及下壓定位循環測試，測試結果如表1所示。

圖10 機械定位器功能測試臺Fig.10 Mechanical locator function test bench

表1 機械定位器測試結果Table 1 Test results of mechanical locator

從測試數據可以看出，定位器通過定位接箍遇阻載荷穩定在20 kN左右，下壓定位狀態250 kN載荷下未出現失效，且連續換向未出現卡阻現象，說明定位器功能和性能滿足現場應用要求。

5 現場應用

2020年5月，在渤海油田某井進行了一次五層礫石充填防砂作業。該作業井井深2 508 m，最大井斜65°。在每層作業時可換向選擇性通過機械定位器分別在隔離下部密封筒、充填滑套密封筒以及定位接箍處產生載荷顯示，通過井口標記3個位置的距離與設計的位置對比以確認定位是否正確。

機械定位器連接在防砂服務管柱中，每通過一個定位接箍均會有一定的載荷在鉆臺儀表上顯示，以此確定充填位置。充填作業時為避免壓力波動造成的管柱上下竄動，在下壓狀態時進行充填，由于充填作業完成后需要關閉滑套，所以需要下放管柱再次通過定位接箍。在五層作業中下壓載荷分別為120、160、150、130和150 kN，均未出現失效情況；同時上提通過定位接箍和密封筒時的載荷分別為20和30 kN，換向未出現卡阻現象。本文研制的機械定位器在充填作業關鍵點實現了準確可靠的定位，保證了礫石充填作業的成功率。

6 結 論

(1)研制的可換向選擇性通過機械定位器連接在服務管柱中，只需要上提和下壓即可實現找位和定位，操作簡便且降低了定位失效的風險，提高了作業效率。

(2)機械定位器定位載荷準確，上提通過遇阻載荷20 kN，避免了對密封筒的損壞，下壓遇阻定位載荷可達250 kN。

(3)通過現場應用驗證，研制的機械定位器完全采用機械模式工作實現定位功能，工作性能穩定可靠，滿足一次多層防砂管柱多次重復定位的需求。