新型臨時封井工具研制與應用

李 勇 董海寬 劉國振 張新平 華澤君 盧 艷 郭龍龍

(1.中海油田服務股份有限公司 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 3. 西安石油大學機械工程學院)

0 引 言

海上油氣井老舊采油樹改造、更換和維修時，需要實施臨時封井作業[1-2]，而陸上油氣井常用的封井器[3]、可鉆橋塞注水泥[4]、水泥承留器[5]等封井措施無法滿足海上油氣井的臨時封井要求。目前，海上油氣井的臨時封井方法包括套管封井帽封井[6]、RTTS封隔器+風暴閥封井。其中，套管封井帽封井的結構比較簡單，但存在較大的安全、環保風險，例如套管密封盤根采用擠壓式密封，套管內表面粗糙度、套管變形等制約了密封效果[7-8]。采用RTTS封隔器+風暴閥封井時，需要上提、旋轉、下放管柱，利用管柱自身重力使封隔器坐封，為了保證封隔器能坐封并獲得良好的密封性能，對封井管柱的最小自重有要求，導致封井管柱長度較大，作業效率低、成本高[9]。因此，亟需研發新的封井工具，實現海上油氣井高效、安全的臨時封井作業[10-14]。

針對海上油氣井水下設備改造、更換作業的臨時封井特點，筆者研制了新型臨時封井工具。該工具采用液壓方式進行坐封，利用液壓或機械方式脫手，上提管柱實現解封、回收。室內試驗和現場應用結果表明，該封井工具可以有效封閉油管、套管環空，坐封、解封、回收安全可靠，其克服了傳統臨時封井方法受限于坐封井深、存在井控和環保風險的不足。

1 技術分析

1.1 結構

該封井工具主要由液壓坐封封隔器+可開關球閥、封隔器坐封工具+球閥開關工具、回收工具3部分構成，如圖1和圖2所示。其中，液壓坐封封隔器+可開關球閥主要由上接頭、連接套、坐封鎖定機構、膠筒、卡瓦、密封筒、球閥等零部件構成；封隔器坐封工具+球閥開關工具主要由坐封活塞、坐封套、脫手活塞、坐封球座、連接桿、密封單元、球閥開關工具等構成；回收工具主要由上接頭、活動座、活動支撐桿、打撈桿、彈簧、解封凸塊、緊急脫手機構、連接桿、密封單元、球閥開關工具等構成。工作時，液壓坐封封隔器與封隔器坐封工具配合使用，實現坐封、封井；兩者丟手、脫離后，留液壓坐封封隔器在井筒內封井。重啟井時，回收工具與液壓坐封封隔器配合使用，驅動液壓坐封封隔器解封、并將其攜帶至井口。以?244.475 mm(9in )套管配套的臨時封井工具為例，對應液壓坐封封隔器+可開關球閥總長度為4.5 m、最大外徑214 mm、壓力等級35 MPa、溫度等級180 ℃。

1—上接頭；2—連接套；3—坐封鎖定機構；4—膠筒；5—卡瓦；6—密封筒；7—球閥；8—球閥開關工具；9—密封單元；10—連接桿；11—坐封球座；12—脫手活塞；13—坐封套；14—坐封活塞。

1—上接頭；2—活動座；3—活動支撐桿；4—打撈桿；5—彈簧；6—解封凸塊；7—緊急脫手機構；8—連接桿；9—密封筒；10—球閥開關工具。

1.2 工作原理

1.2.1 坐封封隔器、驗封及脫手

當臨時封井時，用鉆桿或油管將臨時封井作業管柱送入設計深度，投空心坐封球至球座位置[15]，向鉆桿內泵送高壓液體，高壓液體推動右側活塞向左運動，剪斷坐封銷釘，坐封鎖定機構釋放。同時，坐封套推動封隔器壓環，相對于中心管的螺紋下行，從而坐封封隔機構和錨定機構。封隔器上的坐封鎖定機構隨封隔機構和錨定機構的坐封，將坐封力鎖定，使封隔器達到完全坐封。向套管與鉆桿環空泵送高壓液體，驗證封隔器膠筒的密封性能。

封隔器坐封后，封隔器坐封工具脫手包括2種方式：一種是泵壓持續增加，液體壓力作用于脫手活塞左側，驅動脫手活塞剪切脫手銷釘，當壓力達到一定值時，剪切銷釘被剪斷，脫手活塞撞擊支撐環，并推動其向右運動，致使支撐環脫離左旋連接螺紋內表面，上提服務管柱，左旋連接螺紋向內回縮，實現脫手；另一種方式是正向旋轉服務管柱，驅動左旋螺紋退出嚙合，實現機械脫手。

1.2.2 驗證球閥密封性能

脫手完成后，上提管柱，球閥關閉機構凸臺與開關工具凹槽配合，帶動球閥關閉機構上行、關閉球閥。向套管與鉆桿的環空內泵送壓力液，即可驗證球閥的密封性能，如圖3所示。

圖3 脫手后密封性能測試Fig.3 Sealing performance test after removal

1.2.3 回收封井工具

當封井結束后，通過鉆桿將回收工具送到臨時封井工具坐封位置。同時，回收工具下部的球閥開關工具驅動球閥打開，以平衡環空與地層壓力。待井筒壓力平衡后，上提回收工具，回收工具的分瓣解封凸塊上行，帶動解封環上行，實現封隔器解封。解封后，上提管柱剪斷緊急脫手機構，左旋分瓣螺紋與封隔器上的螺紋嚙合；繼續上提管柱，左旋分瓣螺紋下的活動支撐桿在打撈桿上定位，通過左旋分瓣螺紋進行管柱的打撈回收工作。

1.3 關鍵技術

1.3.1 防提前坐封裝置

封隔器坐封工具和球閥開關串聯在一起，通過坐封工具左旋連接螺紋與封隔器螺紋連接，防提前坐封機構與鎖定凹槽配合，實現防止封隔器提前坐封的功能。解決了傳統的RTTS封隔器下入過程中封隔器提前坐封的難題。

1.3.2 正轉和液壓脫手裝置

正常情況下，通過管柱內正加壓，坐封工具即可實現脫手。若出現意外情況，加壓不能脫手時，正轉管柱，驅動卸螺紋，實現坐封工具的脫手。

1.3.3 解封安全機構

通過回收工具的凸塊，帶動解封環上行。解封安全機構位置如圖4所示。解除封隔器內部和外連接套的鎖定，使封隔器中心管上行，封隔器膠筒、卡瓦解封。

圖4 解封安全機構Fig.4 Unsealing security mechanism

1.3.4 沉砂收集裝置

沉砂收集裝置如圖5所示?？砷_關球閥的上部設計有沉砂收集裝置，該裝置兩端設有密封膠圈，可防止砂子進入球閥，以確?；厥展ぞ呦虏康那蜷y開關工具能夠將球閥順利打開，從而保證解封之前能夠平衡地層壓力。

圖5 沉砂收集裝置Fig.5 Sand collection device

2 室內測試

為驗證臨時封井工具的可行性、可靠性，確定封隔器坐封力、脫手壓力，在天津市濱海新區中海油服工程技術作業中心車間庫房進行了室內測試，如圖6所示。具體測試流程為：①液壓坐封封隔器坐封力測試；②坐封工具脫手測試；③坐封完成，將坐封工具脫手后，進行封隔器正反向耐壓測試。

圖6 試驗準備過程Fig.6 Test preparation process

試驗不同階段測得的壓力值，如表1所示。坐封、密封測試階段的壓力降滿足標準。試驗結果表明：液壓坐封封隔器坐封力不小于18 MPa；正加壓25 MPa，即可脫手坐封工具；封隔器坐封后，可承受正、反向35 MPa的壓力，表明此工具有良好的密封性能。

表1 試驗測試數據Table 1 Table of experimental testing data

3 現場應用

某海上氣井于1986年投產，于2019年10月檢泵作業結束后生產。隨著持續生產，井下壓力顯著下降，產量逐漸減少，長期處于低產狀態。2023年4月對該井進行換層作業后，進行臨時封井，并更換新的油管四通。

更換完油管四通后，組下回收管柱，回收臨時封井工具?；厥展苤M合為封隔器回收工具+?87.5 mm (3in)鉆桿。下鉆到位，測上提下放；繼續下放管柱，到位后下壓5×104N，上提管柱至10×104N，確認回接成功；關閉萬能防噴器，繼續上提管柱至24×104N，解封液壓封隔器。起鉆到井口，現場檢查臨時封井工具外觀良好。

4 結 論

(1)研制的新型臨時封井工具，采用油管或鉆桿均可實現封井管柱的坐封、脫手和回收，不需要配重油管和鉆桿，管柱整體較短。正常施工中通過管柱泵送壓力業實現封井和脫手，不需要旋轉管柱。

(2)臨時封井工具坐封后實現雙向錨定和密封，具有坐封力鎖定功能，在未解封情況下，坐封力保持恒定，直至封井工具解封，坐封力解除。

(3)臨時封井工具坐封位置不受井筒長度影響，工具下端可連接油管延伸至井下。