帶壓作業鋼絲投送式堵塞器設計研究

朱磊

（大慶油田昆侖集團井田實業公司，黑龍江 大慶 163712）

帶壓作業技術是在不壓井、不泄壓的狀態下起管，桿的井下作業技術,主要包括管柱內堵塞技術、油套環空密封技術、管柱加力控制技術和系列配套技術，主要解決了油氣水井作業時保持地層壓力的難題。目前帶壓作業技術在國內已經應用于油水井帶壓維護、熱采井帶壓作業、欠平衡鉆井、低壓氣井帶壓作業等多個作業范圍，取得了良好的效果。

帶壓作業主要由帶壓設備和堵塞器完成雙封一頂，即封堵油管內壓力、封堵油管套管環空壓力、防止油管上頂。堵塞器就是封堵油管內壓力的關鍵，也是帶壓作業完成的基礎。鋼絲投送式堵塞器作為油管內堵塞工藝主要采用的一類堵塞工具，被國內所廣泛使用。但由于現有鋼絲投送式堵塞器的開發使用起步較晚，樣式單一，工藝技術積累較少，應對井下復雜條件適用性不足，設備需求較高，且易封不住，堵塞失敗率較大。

為解決此問題，設計了一種新的鋼絲投送式堵塞器，提高油管內堵塞成功率，降低企業成本，提高生產效率。

1 鋼絲投送式堵塞器的技術參數設計

大慶油田注水井地層壓力普遍為10～30MPa（以1000m井深計算），而鋼絲投送式堵塞器在1000m井深處封堵后，由于在膠筒上下存在約為10MPa的壓差，所以最大封堵壓力通常不超過20MPa。因此，本課題設計的鋼絲投送式堵塞器的最大封堵壓力設定為21MPa。

所設計鋼絲投送式堵塞器要求可以由2.8mm或3.2mm試井鋼絲進行投送，鋼絲最大提供的拉力為10kN。

大慶油田現有的采油井、注水井普遍采用J55石油管材，常見的生產管柱油管使用最多、最普遍的油管型號為2-7/8″平式油管，壁厚5.51mm。因此，鋼絲投送堵塞器以封堵2-7/8″油管為主。

2-7/8″-5.51油管內徑為62mm，所以本鋼絲投送式堵塞器封堵直徑設定為Φ62mm。

注水管柱通常由油管、封隔器、配水器、球座等組成。鋼絲投送式堵塞器本體為了下放至注水管柱任意位置，必須通過封隔器、配水器的內孔。

常用注水用封隔器中心孔通徑都是大于配水器中心通孔直徑的。設計后的鋼絲投送式堵塞器本體外徑不能大于Φ46mm，且應留有間隙，為了保證其正常使用功能，本體最大直徑可在Φ40～Φ44mm，以方便通過封隔器、配水器。

2 鋼絲投送式堵塞器基本結構設計

本鋼絲投送式堵塞器由定位機構、推力機構、膠筒封堵機構、錨定丟手機構四個功能單元組成。

2.1 定位機構設計

通過對常見井下作業工具定位方式的分析，和鋼絲投送的投送方式的特殊性，確定了本設計的定位機構采用倒爪定位的方式。

由于油管內截面是規則的圓形，所以倒爪裝置只要采用對稱的兩點式結構就可以保證向上定位牢固。倒爪定位管柱內，只能是掛在兩根油管在油管接箍內的間隙處，即油管下端面上。并且，由于鋼絲投送式堵塞器本體需要通過配水器，這就要求倒爪可收縮也可彈出，需要采用彈簧支撐的固定方式。

為了不影響鋼絲投送式堵塞器的其他機構工作，設計方案將定位機構設計在了堵塞器的最下部分，包括定位錨爪、定位錨、固定螺帽、封頭螺帽。封頭螺帽前端設計成45°錐面，可有效防止鋼絲投送式堵塞器在下井過程中遇卡。

2.2 推力機構設計

通過對國內現有的鋼絲投送式堵塞器、電纜投送式堵塞器的分析，可以歸納出以下幾種常用推力（坐封力）產生方式，如表1所示。

表1 堵塞器推力產生方式

由于研究方向定位于鋼絲投送式，因此，儲存高壓氣體和爆炸作用就不能夠采用。而純粹使用鋼絲拉力作為坐封推力，對地面設備要求太高，對鋼絲強度要求也高。綜合考慮后，決定采用井下壓力作為堵塞器的坐封力提供源。采用雙級膠筒密封結構，因此，活塞行程需要較長。其行程要能夠提供2級膠筒的壓縮行程，加上卡瓦錨定的動作行程。設計完成的推力機構包括液壓活塞及活塞套筒。

2.3 膠筒封堵機構設計

已知國內采用鋼絲投送的堵塞器產品，普遍采用鋼絲拉力或井下壓力作為膠筒壓縮的推動力，而井壓動力的堵塞器產品又都是單級膠筒的堵塞器。單級膠筒在封堵油管過程中，如出現封堵面不均勻、點線漏封，就會堵塞失敗。

為了增加堵塞的成功率，本設計采用雙級膠筒結構，以保證在一級膠筒不能封堵嚴密的情況下，另一級膠筒可以封堵成功。這樣首先從膠筒作用的單一概率上，提高了油管壓力封堵成功率。

由于井下水溫較高，可接近80℃，所以在膠筒的材質選擇上，選擇了丁晴橡膠。丁晴橡膠的理論失效溫度為120～150℃（具體根據材料配比）。

為了提高橡膠封堵后的抗壓能力，對本堵塞器膠筒加工的硬度要求規定為洛氏硬度65～75°。

初步設計完成的膠筒封堵機構包括花瓣壓盤、膠筒、單面壓盤、雙面壓盤、防倒扣套筒、防倒扣瓦牙、卸扣封頭。

2.4 錨定丟手機構設計

井下工具常用的卡瓦結構為扇形圓弧截面的滑塊卡瓦，這種卡瓦的好處是作業用線寬，能夠有效卡緊在油、套管內壁。但是，本堵塞器因為要通過配水器，所以設計直徑較小，如采用寬弧面卡瓦，卡瓦固定的套體有效壁厚和強度就會減低，且弧面過寬，在強大的推力作用下，容易發生劈裂。

考慮到以上問題，本堵塞器設計中使用了窄弧面卡瓦形式。同時，為了保證堵塞器錨定卡緊的同軸度，采用了3片卡瓦等分圓周的分布方式。卡瓦擴張方式采用斜槽滑動的擴張方式。

由于本鋼絲投送式堵塞器與上部工具連接采用的是端部銷孔連接，銷孔設計在投送固定套上，所以投送固定套即為丟手裝置。銷孔連接時，采用銅剪釘代替銷釘。丟手時利用上部工具中的震擊器對堵塞器產生震擊力，使剪釘受銷孔剪切力作用而剪斷，從而丟手堵塞器。

安裝完成的鋼絲投送式堵塞器完整結構，從右至左機構順序為定位機構、推力機構、膠筒封堵機構、錨定丟手機構，如圖1所示。

圖1 鋼絲投送式堵塞器總體結構圖

3 現場試驗情況

現場試驗共進行了10井次的鋼絲投堵試驗，均為注水井投堵，由于現場井況復雜，共成功封堵了8口井，其余2口井由于井內結蠟過多，堵塞器封堵壓力不成功，但溢流明顯受控。

試驗結論：整套鋼絲投堵工藝可以有效實施，發揮應有作用，控制系統反應靈敏，絞車拉力顯示正常，試驗中拉力范圍在3.1～5.11kN，與鋼絲在井內長度有關，符合試驗的實際情況。試驗結果基本達到了預期目標，一次封堵成功率達到80%，封堵效果良好。對帶壓作業提供了有效的前期支持，保證了作業的順利施工。

4 結語

研制的鋼絲投送式堵塞器整體功能包括油管內定位、壓力供給、封堵井壓、錨定卡緊、丟手等功能，能夠實現鋼絲投送封堵在油管內任意位置的目的，現場試驗效果良好，具備推廣使用前景。