抽油機井可環空測試井筒防噴技術

劉崇江 姚飛,3 宋興良 劉鈺川 王鵬程 張平安

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室；3.東北石油大學石油工程學院

2015年新《環境保護法》實施后，國家、地方政府和各大石油公司等都加大了對環保工作的重視程度［1］，大慶油田提出了“井液不出井”的源頭環保開發要求，井下作業面臨的環保形勢十分嚴峻。抽油機井在檢泵作業過程中，由于地層壓力高、井筒溢流大，導致井液噴出地面［2-4］。目前主要采用2種防噴工藝：(1)隨泵下入活堵、帽型活門或防噴脫接器等油管防噴工具［5-6］，實現一次或二次作業油管防噴，但無法控制油套環空溢流；(2)下入滑套式或浮子式井筒防噴管柱實現全井筒防噴［7-9］，但不能滿足生產過程中過環空測試的要求。為此，研制了可環空測試井筒防噴工藝管柱及配套工具，不僅解決了檢泵作業過程中井液噴出污染環境的問題，又能夠實現生產過程中不動管柱過環空測試。

1 可環空測試井筒防噴工藝管柱

1.1 管柱結構

可環空測試井筒防噴工藝管柱見圖1，Y445封隔器用于密封油套環空，閥芯式井下開關可實現油管內部過流通道的開啟和關閉。

圖1 防噴工藝管柱Fig.1 Blowout prevention pipe string

1.2 工藝原理

利用油管將Y445封隔器、閥芯式井下開關投送至預定位置后，油管打壓坐封，上提順時針旋轉完成管柱丟手。泵抽管柱攜帶捅桿，插入丟手管柱打開閥芯式井下開關，上提至泵掛深度(距離丟手管柱20 m以上)，實現正常生產。測試時，測試儀器(外徑28 mm)通過偏心井口、油套環空和閥芯式井下開關內中心通道，對油層進行產液剖面測試。二次檢泵作業時，下放泵抽管柱，關閉閥芯式井下開關，密封全井筒，實現施工過程中井口無溢流。防噴工藝管柱坐封壓力15 MPa，工作壓差25 MPa，耐溫90 ℃，解封載荷30～40 kN；閥芯式井下開關開啟、關閉載荷12～15 kN，最小內通徑36 mm。

2 關鍵配套工具結構及工作原理

2.1 Y445封隔器

Y445封隔器（圖2）與專用坐封工具連接后由油管投送下井。坐封時，在液壓的作用下，專用坐封器推動坐封套下行，使錐體推動卡瓦楔入套管起到雙向錨定的作用，膠筒壓縮密封油套環形空間，同時鎖環鎖住中心管使封隔器始終處于密封鎖緊狀態，完成坐封和錨定；上提管柱并正轉使坐封器與封隔器脫開，實現丟手。解封時，下入專用打撈工具撈住底端的解封環，上提管柱，膠筒回收、卡瓦復位，完成解封；如果打撈失敗，可下入鉆銑工具將鎖環鉆掉，上提完成解封并可將封堵管柱全部起出。

圖2 Y445 封隔器結構Fig.2 Y445 packer structure

2.2 閥芯式井下開關

傳統滑套或浮子開關在開啟狀態下，受捅桿占位影響，無法過測試儀器，為此設計了“蹄型”對半式閥芯式井下開關（圖3），開啟時捅桿與開關分離，具有?36 mm的中心通道。閥芯式井下開關開啟時，利用泵下捅桿推動導向頭帶動中心管、泄壓滑套下行，油套連通后，閥芯軸帶動連桿下推閥芯，對半閥芯沿導向座分開，上提捅桿，閥芯處于開啟狀態；關閉時，先下放、后上提捅桿，在彈簧彈力和井底壓差的雙重作用下，中心管帶動泄壓滑套、閥芯軸上行，泄壓通道關閉，對半閥芯復位密封，閥芯處于關閉狀態。

圖3 閥芯式井下開關結構Fig.3 Spool type downhole switch structure

3 防噴管柱安全性評價

可環空測試井筒防噴工藝管柱能夠實現抽油機井不壓井檢泵作業，但其安全使用界限尚不明確，當井下壓力超過其最高防噴壓力時，將發生井噴、污染環境等安全環保事故。根據管柱結構分析，其安全工作界限主要受Y445封隔器密封性能、錨定性能、閥芯式井下開關密封性能的影響。通過對核心部件的數值模擬分析，開展了不同套壓作用下防噴管柱的安全性評價，為其現場安全使用提供依據。

3.1 Y445封隔器密封性能數值模擬

模擬了Y445封隔器坐封后在0～25 MPa套壓作用下膠筒密封系統的接觸應力、膠筒與套管之間的接觸應力。結果表明，膠筒密封系統初始的最大接觸應力集中在隔環與膠筒端面的接觸區域。隨著套壓持續上升，下膠筒承受自下而上的液壓推動作用，膠筒被進一步壓縮，膠筒與套管之間接觸應力呈現持續上升趨勢，且始終高于套壓水平，二者之間差值呈現出隨著套壓上升而先下降后上升的趨勢。在正常套壓升高過程中，膠筒密封性能均符合要求。

3.2 閥芯開關密封性能數值模擬

3.2.1 模型建立

閥芯開關閉合后，承受井下流體壓力25 MPa，對其密封性能進行有限元分析，有限元模型見圖4。

圖4 閥芯密封性能分析有限元模型Fig.4 Finite element model for spool sealing performance analysis

3.2.2 模擬結果分析

井下壓力25 MPa作用下，密封圈的接觸應力分布情況如圖5所示。由圖可知，密封圈與閥芯接觸面上，最大接觸應力達到43.64 MPa，最小接觸應力為28.56 MPa，均超過了井下流體壓力。故在井下流體壓力作用下，密封圈能夠很好地實現密封目的。

圖5 井下壓力25 MPa密封圈接觸應力分布Fig.5 Contact stress distribution of sealing ring with downhole pressure of 25 MPa

井下壓力25 MPa作用下，閥芯與密封條接觸面接觸應力分布情況如圖6所示。由圖可知，密封條在井下壓力作用下，與閥芯的接觸應力約為28.4 MPa，高于井下流體壓力，故密封條在井下壓力作用下也能實現密封目的。

圖6 井下壓力25 MPa密封條接觸應力分布Fig.6 Contact stress distribution of sealing strip with downhole pressure of 25 MPa

3.3 工藝管柱錨定性能分析

工藝管柱的錨定主要依靠Y445封隔器的卡瓦來實現。Y445封隔器共配備4枚卡瓦，在封隔器坐封時，液壓推動上下錐體擠壓卡瓦沿徑向運動，瓦牙卡入套管內壁，為工藝管柱提供錨定力。封隔器坐封后，卡瓦隨著液壓活塞作用逐漸卡進套管內部，套管與卡瓦牙接觸位置將出現局部屈服變形。當坐封壓力達到15 MPa時，單個卡瓦與套管之間產生的錨定力約為105.5 kN。由于封隔器有4枚卡瓦，故4枚卡瓦錨定后，可為工藝管柱提供422 kN錨定力，工藝管柱可克服的上頂力超過422 kN。

3.4 工藝管柱防噴安全性評價

工藝管柱設計時要求管柱的防噴壓力超過25 MPa，解封載荷不小于40 kN，當井下壓力達到25 MPa時，?124 mm內徑的井筒將對工藝管柱提供約302 kN的上頂力。結合模擬結果可知，工藝管柱丟手后可密封的流體壓力不小于28.4 MPa，可克服的上頂力不小于422 kN，設計的井筒防噴工藝管柱滿足防噴要求，故基于模擬結果判斷此井筒防噴工藝管柱設計合理，滿足使用需求。

4 室內實驗

4.1 Y445封隔器性能實驗

室內實驗主要是驗證Y445封隔器的坐封、承壓及解封性能。將組裝好的Y445封隔器與配套使用的坐封器連接好后，放入內徑為?124 mm的套管，在坐封器上端分別施加液壓10、12、15 MPa，各點穩壓5 min，坐封Y445封隔器；然后泄壓至0，正轉坐封器15圈，將封隔器丟手在套管短節內；在套管短節下端施加液壓至25 MPa，穩壓15 min，壓力不降，且承壓前后封隔器無位移；采用打撈工具上提至42 kN時，負荷降為3 kN，封隔器解封，封隔器膠筒、卡瓦回收良好，剛體無變形。實驗結果表明，Y445封隔器坐封、解封正常，套壓25 MPa條件下錨定密封性能良好，能夠滿足現場生產需求。

4.2 閥芯式井下開關性能實驗

驗證閥芯式井下開關開啟、關閉、反向密封及儀器通過性能。將井下開關連接于拉扭機試驗套管內，套管下端連接試壓接頭，捅桿與拉扭機上端連接。利用柱塞泵從試壓接頭施加液壓25 MPa，穩壓5 min，觀察套壓及工具上端出液情況；啟動拉扭機，下推捅桿至閥芯式井下開關上端，繼續施加下壓力，開啟后上提捅桿，記錄下推力，觀察套壓及工具上端出水情況，插入?28 mm測試儀器，觀察能否順利通過；再次下推捅桿，關閉閥芯式井下開關后上提，記錄下推力。重復上述步驟2次，記錄下推力，觀察套壓及工具上端出水情況、測試儀器通過情況。

實驗數據見表1。閥芯式井下開關開啟、關閉載荷為14～15 kN，開啟、關閉正常可靠；關閉后從套管打壓25 MPa，停泵后5 min，壓力穩定不降，關閉后密封性能良好；開啟后套壓降為0，工具上端正常出水，?28 mm測試儀器通過順暢，滿足現場需求。

表1 室內實驗數據Table 1 The laboratory testing data

5 現場試驗

5.1 現場應用情況

抽油機可環空測試井筒防噴技術在大慶油田現場試驗5口井，作業前平均井口壓力1.8 MPa，溢流量4 m3/h。該技術實施后井口壓力降至0，防噴成功率100%。其中，過環空產出剖面測試4口井，測試儀器通過工具段順暢、無卡阻，順利完成產液剖面測試；二次檢泵作業2口井，井下開關關閉成功率100%，實現了常規作業隊伍不壓井起下管柱，大幅降低了作業占井時間，節約了污油污水地面處理費用和壓井費用。

5.2 典型井例

試驗井N6為抽油機定點監測井，完鉆井深為1 230 m，射孔頂界深度為1 133.4 m，地層壓力為12.67 MPa，檢泵前套管溢流較大，起管柱時存在油管噴濺現象。防噴管柱投送、坐封、丟手順利，套管無溢流。泵抽管柱連接捅桿，試捅第1次，10 min后井口開始出現溢流且有增大趨勢，說明閥芯式井下開關打開；試捅第2次，10 min后井口無溢流，說明閥芯式井下開關關閉；試捅第3次，10 min后井口開始出現溢流且有增大趨勢，說明開關開啟，上提2根油管后完井。11個月后，利用?28 mm測試儀器對該井進行了過環空產出剖面測試，下入和起出過程中，測試儀器通過工具段順暢，無遇阻現象，順利獲取了產液剖面測試曲線。13個月后，該井進行了二次檢泵作業，套管溢流較大，加深管柱關閉閥芯式井下開關，10 min后套管無溢流，實現了高效、安全、環保檢泵作業。

6 結論

(1)可環空測試井筒防噴技術實現了抽油機井不壓井檢泵作業，解決了起下管柱過程中井液噴出污染環境的問題，同時滿足了生產過程中過環空測試的需求，具有良好的推廣應用前景。

(2)生產過程中可環空測試井筒防噴管柱與泵抽管柱各自獨立，避免了管柱蠕動對防噴管柱錨定及密封性能的影響。可環空測試井筒防噴技術目前只在溢流大的井上進行了現場試驗，對于高壓井的適應性還需進一步驗證。