雙井下安全閥管柱及配套強(qiáng)開工具設(shè)計與實踐

葛俊瑞，李三喜，蔡斌，李艷飛

中海石油（中國）有限公司上海分公司（上海 200335）

井下安全閥是位于油管特定位置的安全裝置，在生產(chǎn)設(shè)施出現(xiàn)危險、管線破裂等非正常情況下能夠?qū)崿F(xiàn)井下隔離，及時關(guān)閉流動通道，實現(xiàn)井筒流體的安全控制[1-3]。海上油氣田由于特殊的作業(yè)環(huán)境，要求必須安裝井下安全閥，確保油氣井的安全生產(chǎn)，目前常用的是地面控制的油管攜帶式井下安全閥，采用液壓控制的閥板結(jié)構(gòu)[4-6]，具有密封性好、可靠性高的特點。

東海海域某探井是一口高溫、異常高壓深井，完鉆井深4 670 m，儲層壓力63.2 MPa，井底溫度151 ℃，折合日氣產(chǎn)量超過百萬立方米。為了滿足地質(zhì)油藏的評價需求，將探井轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)井，實施延長測試作業(yè)，面臨著高溫、高壓、高產(chǎn)、震動等復(fù)雜井筒條件。為了實現(xiàn)雙重安全保障，降低沖蝕、腐蝕、震動等惡劣工況導(dǎo)致井下安全閥失效的風(fēng)險，確保生產(chǎn)安全與井筒完整性，設(shè)計了雙井下安全閥的管柱結(jié)構(gòu)，結(jié)合生產(chǎn)實際選擇了同尺寸同型號的井下安全閥，并配套研制了選擇性強(qiáng)開工具，對井下安全閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級改造，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 雙井下安全閥管柱設(shè)計原則

通常生產(chǎn)管柱中僅安裝單個井下安全閥，若針對特殊的作業(yè)安全需求，設(shè)計采用雙井下安全閥，應(yīng)考慮生產(chǎn)需求、控制方式、風(fēng)險應(yīng)對、后續(xù)施工等因素，采用以下設(shè)計原則：①串聯(lián)連接兩個油管攜帶式井下安全閥；②每個井下安全閥采用單獨(dú)的控制管線；③井下安全閥的使用滿足操作手冊；④兩個井下安全閥具備單獨(dú)實施強(qiáng)開工藝的需求；⑤井下安全閥最小內(nèi)徑滿足生產(chǎn)管柱要求，不影響井下安全閥以下后續(xù)作業(yè)需求，如鋼絲作業(yè)、電纜作業(yè)等。

按照以上設(shè)計原則，雙井下安全閥的選擇方案見表1。

表1 雙井下安全閥的選擇方案

2 井下安全閥選擇與安裝設(shè)計

2.1 類型選擇

基于目標(biāo)井采用Φ88.9 mm油管、Φ244.5 mm套管的要求，按照雙井下安全閥的設(shè)計方案，結(jié)合東海海域?qū)嶋H庫存工具類型，只有兩套同尺寸、同型號的井下安全閥滿足要求，自平衡式、最小內(nèi)徑為Φ71.4 mm，型號為貝克休斯的TITAN-10E，采用地面控制系統(tǒng)，通過控制管線提高液壓腔內(nèi)壓力，從而推動活塞運(yùn)動，帶動中心管壓縮彈簧，直至將閥板頂開并保持一定壓力，實現(xiàn)持續(xù)開啟，卸掉壓力，閥板在扭簧里作用下實現(xiàn)關(guān)閉[7]。這種型號的井下安全閥頂部工作筒為AF 型工作筒，屬于非選擇性工作筒。

2.2 溫度壓力及材質(zhì)選擇

選擇的安全閥額定工作壓力必須不小于其工作時可能出現(xiàn)的最高壓力，額定工作溫度不小于可能出現(xiàn)的最高溫度。根據(jù)目標(biāo)井的溫度、壓力，模擬計算井口最高溫度約109 ℃，儲層最高壓力為63.2 MPa，因此選擇的壓力等級70 MPa、溫度等級149 ℃的井下安全閥滿足作業(yè)要求，液壓腔體耐壓105 MPa[8]。

考慮CO2分壓和溫度影響情況下，計算腐蝕速率，獲得生產(chǎn)年限內(nèi)油管剩余壁厚，校核管柱強(qiáng)度滿足作業(yè)需求，選擇防腐材質(zhì)13Cr、鋼級L80。

2.3 控制系統(tǒng)選擇

由于目標(biāo)井存在高產(chǎn)且存在一定的腐蝕性，在每個井下安全閥上下配置了流動接箍，材質(zhì)為防腐材質(zhì)13Cr、鋼級L80。

控制管線采用常規(guī)的外徑Φ6.35 mm、材質(zhì)316 L 的連續(xù)控制管線，壁厚1.63 mm，壓力等級105 MPa。

2.4 下入深度設(shè)計

當(dāng)確定井下安全閥下入深度[9]時，應(yīng)考慮以下因素：①符合制造商操作手冊的最大失效保護(hù)下入深度；②環(huán)空及控制管線流體梯度和壓力；③裝運(yùn)報告中井下安全閥的開、關(guān)壓力；④在井下安全閥計算中的最大油管壓力；⑤要求的安全因素（安全系數(shù)一般取1.15～1.25）；⑥閥下入深度處的凝點，預(yù)期壓力和溫度（石蠟、水合物沉積、永凍層等）；⑦海上油氣田一般要求至少下至泥線以下30 m。

目標(biāo)井基本數(shù)據(jù)：環(huán)空流體密度為1.56 g/cm3，井下安全閥關(guān)閉壓力為5.17 MPa，操作手冊中最大下入深度為457 m，最大油管壓力63.2 MPa。

最大安全下深=最小關(guān)閉壓力/（1.15×環(huán)空靜液柱壓力梯度）=293 m。

海上油氣田井下安全閥控制系統(tǒng)位于采油樹甲板（圖1），實際管柱位置應(yīng)增加油補(bǔ)距15 m左右，最大安全下深約308 m。因此，設(shè)計兩個井下安全閥的下深分別為200、300 m。

圖1 雙井下安全閥管柱結(jié)構(gòu)示意圖

3 配套選擇性強(qiáng)開工具設(shè)計

管柱中安裝兩個井下安全閥，在提供雙重安全保障的同時，也給流動通道的暢通帶來風(fēng)險，任何一個井下安全閥發(fā)生意外關(guān)閉，都將隔離流動通道，導(dǎo)致生產(chǎn)無法進(jìn)行。因此，為了防止井下復(fù)雜情況引起的井下安全閥非正常關(guān)閉，設(shè)計了配套的強(qiáng)開工具，滿足強(qiáng)制開啟的作業(yè)需求。

3.1 強(qiáng)開工具設(shè)計原則

針對同尺寸同型號雙井下安全閥的管柱結(jié)構(gòu)，依據(jù)以下原則：

1）任何一個安全閥出現(xiàn)復(fù)雜情況，均可以下入強(qiáng)開工具，且互不影響。

2）井下安全閥實施強(qiáng)開后，最小內(nèi)徑不受影響，便于后續(xù)井筒作業(yè)。

3）強(qiáng)開工具具有結(jié)構(gòu)簡單、操作性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的特點。

4）強(qiáng)開工具采用防腐材質(zhì)，具備防沖蝕能力。

3.2 井下安全閥改造

上部井下安全閥以上為油管，不受任何影響，采用配套強(qiáng)開工具即可實現(xiàn)強(qiáng)制開啟。

下部井下安全閥由于受到上部同尺寸井下安全閥的影響，頂部AF工作筒屬于非選擇性工作筒，標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)開工具無法通過同尺寸同型號的上部井下安全閥，又無法對成品安全閥實施內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，難以消除同尺寸對下入工藝的影響。

為了滿足下部井下安全閥的選擇性下入工藝，創(chuàng)造性地在安全閥上部安裝X 型選擇性工作筒，滿足鋼絲作業(yè)選擇性送入工具的下入及鎖定功能，避免同尺寸上部井下安全閥對下入工藝的限制。改造示意圖如圖2所示。

圖2 下部井下安全閥改造示意圖

3.3 選擇性強(qiáng)開工具設(shè)計

由于采用X型工作筒作為強(qiáng)開工具送入工具的實際坐掛定位點，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)開工具尺寸不適用改造后的井下安全閥，需要重新測量X 型工作筒長度，X 型工作筒NO-GO 至AF 工作筒NO-GO、井下安全閥閥板、閥板開啟后底端位置的距離。

通過準(zhǔn)確測量X型工作筒定位臺階與閥板開啟位置的距離，將標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)開工具與選擇性定位工具組合使用，采用鋼絲作業(yè)下入選擇性工具定位于X 型工作筒的NO-GO 位置，同時實現(xiàn)強(qiáng)開工具即鎖定蝸簧正對閥板位置，通過強(qiáng)開操作釋放蝸簧、鎖定閥板至開啟位置，蝸簧是一種圓周彈性防腐蝕金屬片，具有較強(qiáng)的彈性力，厚約2 mm。閥板開啟位置內(nèi)徑較大，蝸簧釋放后幾乎不影響生產(chǎn)管柱的內(nèi)通徑，具有定位準(zhǔn)確、永久強(qiáng)開、不影響其他作業(yè)的特點。選擇性強(qiáng)開工具結(jié)構(gòu)如圖3 所示，蝸簧強(qiáng)制開啟功能如圖4所示。

圖3 選擇性強(qiáng)開工具結(jié)構(gòu)圖

圖4 蝸簧強(qiáng)制開啟示意圖

4 強(qiáng)開工具評價與應(yīng)用

4.1 室內(nèi)實驗評價

組裝井下安全閥選擇性強(qiáng)開工具，測量了工具內(nèi)外徑、長度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對比下部井下安全閥與X型工作筒的尺寸，連接鋼絲工具與選擇性強(qiáng)開工具，模擬實際施工過程，測試工具配合良好，選擇性工具動作正常，能夠準(zhǔn)確定位X型工作筒位置，拆卸井下安全閥檢查蝸簧能夠順利彈開并緊貼閥板位置的工具內(nèi)壁，不影響管柱內(nèi)通徑，工具整體結(jié)構(gòu)簡單、下入工藝可行，滿足現(xiàn)場施工要求。

4.2 井下安全閥故障

2017年6月12日，東海海域某延長測試井順利下入2 套同尺寸同型號的井下安全閥，實際下入深度分別為202.4、295.9 m，安裝過程中按照測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了開關(guān)功能試驗、安全閥本體及閥板測試、控制管線測試，均合格。

延長測試過程中井口及隔水管晃動幅度較大，引起生產(chǎn)管柱不規(guī)律擺動，生產(chǎn)管柱與套管出現(xiàn)長期的高頻碰撞與磨損，導(dǎo)致控制管線出現(xiàn)損壞，在使用187 d 后，下部井下安全閥控制壓力出現(xiàn)快速下降，檢查地面控制系統(tǒng)無泄漏，綜合判斷為井下控制管線泄漏[10]，井下安全閥無法維持開啟、關(guān)閉。

4.3 選擇性強(qiáng)開施工

強(qiáng)開作業(yè)共分為4趟鋼絲作業(yè)：

1）通井作業(yè)：采用Φ70.0 mm 通徑規(guī)通徑至下部井下安全閥閥板，輕探并記錄位置。

2）選擇性強(qiáng)開作業(yè)。

工具串：繩帽+旋轉(zhuǎn)節(jié)+加重桿+萬向節(jié)+機(jī)械震擊器+萬向節(jié)+井下安全閥選擇性強(qiáng)開工具。

工藝過程：連接選擇性強(qiáng)開工具，設(shè)定工具處于選擇位，順利通過上部井下安全閥后，重新上提通過上部井下安全閥，再下放通過，將選擇性工具切換至非選擇位，緩慢下放至下部井下安全閥的閥板位置，半合機(jī)械震擊器；固井泵對油管內(nèi)正打壓，打開下部井下安全閥，緩慢下放鋼絲工具串將X 鎖芯坐于X型工作筒，向下震擊完全釋放X鎖芯，過提驗證X鎖芯鎖定后，向上震擊成功脫手服務(wù)工具，起出工具串檢查脫手銷釘、中心桿銷釘正常剪切。

3）回收強(qiáng)開工具作業(yè)。下工具串至下部井下安全閥，到位后嘗試回收井下安全閥強(qiáng)開工具，緩慢下放后再上提確認(rèn)撈住強(qiáng)開工具本體，起出后檢查工具正常，蝸簧釋放成功。

4）通井作業(yè)：采用Φ70.0 mm 通徑規(guī)通徑至下部井下安全閥閥板以下50 m，驗證實施強(qiáng)開后未影響管柱內(nèi)通徑，滿足后續(xù)其他作業(yè)需求。

4.4 實施效果分析

下部井下安全閥實施強(qiáng)制開啟后，恢復(fù)了井筒生產(chǎn)通道，重新投產(chǎn)后產(chǎn)量與故障前保持一致，平穩(wěn)生產(chǎn)至延長測試結(jié)束，強(qiáng)制開啟功能正常，未發(fā)生其他異常狀況，確保了延長測試的持續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行。雙井下安全閥發(fā)揮了兩道安全措施的作用，選擇性強(qiáng)開工具的研制保障了復(fù)雜情況下井筒的流動通道恢復(fù)。

5 結(jié)論與建議

1）雙井下安全閥的管柱結(jié)構(gòu)是特殊復(fù)雜井具備雙重安全控制手段的重要途徑，能夠采用同尺寸同型號的井下安全閥進(jìn)行串聯(lián)配置、單獨(dú)控制的方式。

2）配套強(qiáng)開工具的研制是雙井下安全閥可靠工作的前提，在井下安全閥意外關(guān)閉的情況下能夠?qū)嵤?qiáng)制開啟，恢復(fù)井筒流動通道。

3）采用同尺寸同型號井下安全閥，且安全閥無選擇性工作筒，通過增加選擇性工作筒的方式能夠?qū)崿F(xiàn)下部井下安全閥的選擇性強(qiáng)開。

4）井下安全閥的選擇性強(qiáng)開應(yīng)在確認(rèn)井筒安全的前提下，強(qiáng)開過程中準(zhǔn)確切換選擇性工具，通過送入工具與強(qiáng)開工具本體狀態(tài)判斷工作狀態(tài)，進(jìn)而驗證井筒強(qiáng)開后的狀態(tài)。