電纜坐封沉砂封隔器下滑原因分析與實驗研究

靳榮博,徐鳳祥,鄭九洲,張文博,常志健,蔡東興

(中海油田服務股份有限公司 天津分公司,天津 300459)

在海上油田常規完井工具中,沉砂封隔器用于套管井防砂管柱中,起到支撐管柱和隔離人工井底的作用[1]。沉砂封隔器有液壓坐封和電纜坐封兩種方式,液壓坐封以水為介質,鉆桿與坐封工具連接,在平臺上向鉆桿逐漸增大水壓實現沉砂封隔器的坐封,而電纜坐封避免了逐節下入鉆桿的繁瑣工序,通過電纜送入沉砂封隔器,到達指定位置后,導通電流點燃坐封工具內的火藥,火藥爆炸產生推力使沉砂封隔器坐封。近年來關于沉砂封隔器失效報道較多,如渤海油田LD16區塊某井在作業過程中出現沉砂封隔器未坐實現象,經分析原因為卡瓦上存在異物導致坐封力無法傳遞且坐封時間不足導致坐封不完全;LD52N區塊某井在作業過程中出現坐封后驗卡瓦異常現象,經分析原因為射孔后井內溢流返吐地層砂沉降在卡瓦處,沉砂封隔器坐封力不足導致卡瓦未完全張開。一些專家也分析了沉砂封隔器失效原因,并給出了相應的解決方案,柯康等[2]分析了沉砂封隔器在下入過程中失效問題,其原因是沉砂封隔器在下入過程中卡瓦提前張開導致失效,無法下到指定位置,采用根源分析法認為失效的原因是蠟塊逐漸堆積的結果,并給出了嚴格控制下放速度、下入前保證井內清潔等解決措施。渤海油田的某熱采生產井中出現了沉砂封隔器坐封后下滑的現象,本文以適用于φ244.5 mm套管井的熱采沉砂封隔器為研究對象,分析沉砂封隔器下滑原因,并進行室內實驗驗證,為優化改進沉砂封隔器以及現場作業人員避免出現此類問題提供可行性參考。

1 電纜坐封沉砂封隔器結構及坐封原理

φ244.5 mm的熱采沉砂封隔器內部結構如圖1所示,由推筒、頂部接頭、鎖環、芯軸、膠桶、卡瓦、下接頭等零部件組成,相關參數如表1所示,坐封工具采用貝克20#電纜坐封工具,其內部火藥為ZHY2-3型慢燃火藥。

表1 熱采沉砂封隔器參數

圖1 熱采沉砂封隔器內部結構

選用內徑為224.4 mm套管為實驗套管,貝克電纜坐封工具通過電纜坐封適配器與φ244.5 mm熱采沉砂封隔器連接,如圖2所示,其坐封原理為:電流觸發貝克電纜坐封工具上的橋塞點火器,橋塞點火器將慢燃火藥點燃,火藥產生的內能轉化為推力通過電纜坐封適配器作用在熱采沉砂封隔器的推筒上,推筒向前推動,啟動剪釘被剪斷,上下卡瓦逐漸張開并咬合在套管內壁上,同時擠壓膠桶,使膠桶緊緊貼合在套管內壁上,膠桶的上端與下端形成兩部分密閉的環空區域,上下卡瓦的咬合力達到峰值后丟手剪釘被剪斷,火藥燃盡后回收電纜及坐封工具,坐封完成。

圖2 熱采沉砂封隔器坐封原理

2 電纜坐封沉砂封隔器下滑原因

由于電纜坐封沉砂封隔器由上下卡瓦支撐[3-4],因此,卡瓦質量和上下卡瓦與套管的咬合力是決定沉砂封隔器下滑最主要的因素。

2.1 卡瓦質量檢測

選取失效封隔器卡瓦,由外表面至芯部選取樣品共7處,球柱直徑為30 mm,套管內壁硬度均不大于30 HRC,檢測結果如表2所示。

表2 失效封隔器卡瓦硬度檢測結果

套管為BG110H鋼級,由表2可知,卡瓦表面硬度與芯部硬度均符合卡瓦質量要求且均大于套管內壁表面硬度,因此該沉砂封隔器的卡瓦質量合格,卡瓦不是影響封隔器下滑的主要因素。

2.2 上下卡瓦咬合力影響因素

采用根源分析法分析影響上下卡瓦的咬合力有以下三點因素[5-10]：坐封時間、坐封力、卡瓦槽壁厚。

坐封時間是指封隔器坐封時啟動剪釘剪斷后,丟手剪釘剪斷前的間隔時間,坐封時間過短可能會導致啟動剪釘剪斷后卡瓦與套管的咬合力未達到預定值就完成丟手,上下卡瓦無法承受防砂管柱的軸向應力導致沉砂封隔器下滑。

坐封力是指丟手剪釘剪斷前,施加在沉砂封隔器使卡瓦咬合套管的最大軸向應力,若坐封力過小,可能會導致卡瓦與套管的咬合力未達到預定值或卡瓦未完全張開,導致沉砂封隔器下滑。

卡瓦槽壁厚是指卡瓦內壁到開槽口的最大距離,如圖3所示,卡瓦槽壁厚影響使卡瓦張開所需的軸向力的大小,是坐封阻力之一,若卡瓦槽壁厚越厚,使卡瓦張開所需軸向力越大,當坐封力一定時,卡瓦與套管的咬合力越小。因此卡瓦槽壁厚影響卡瓦與套管之間的咬合力,是影響沉砂封隔器下滑的因素之一。

圖3 卡瓦槽壁厚示意

3 室內實驗驗證

針對以上原因采用單一變量法設計室內實驗,將下接頭更換為堵頭工裝,以水為介質,在上打壓口逐漸增加水壓至20.7 MPa,并保壓至少15 min。水壓與軸向推力的轉換關系如公式1所示。

(1)

式中:F為水壓產生的軸向推力,kN;P為水壓,MPa;r為套管半徑,mm。

以下卡瓦下滑距離作為評價熱采沉砂封隔器下滑位移量[11-12],水壓產生的推力為408.66 kN。

3.1 坐封時間對上下卡瓦下滑距離的影響

保持其他影響因素不變,調整火藥控制坐封時間分別為13.9、15.7、17.5、19.3、21.2 s,測量下卡瓦下滑距離,并繪制柱狀圖,如圖4所示,由圖可知坐封時間越長,下卡瓦下滑距離越小,當坐封時間超過17.5 s后,下卡瓦不再下滑,這是由于足夠的坐封時間保證了上下卡瓦完全張開,上下卡瓦與套管的咬合力能夠承受水壓產生的推力,因此熱采沉砂封隔器不再下滑。

圖4 下卡瓦下滑距離隨坐封時間變化曲線

3.2 坐封力對上下卡瓦下滑距離的影響

保持其他因素不變,分別測試坐封力為265.09、269.7、275.09、284.98、291.02 kN,測量下卡瓦下滑距離,并繪制柱狀圖,如圖5所示,由圖可知坐封力越大,下卡瓦下滑距離越小,當坐封力大于275.09 kN后下卡瓦不再下滑,這是由于足夠的坐封力時保證了上下卡瓦能夠緊緊咬合在套管內壁上,隨著坐封力逐漸增大,上下卡瓦與套管咬合力逐漸增大,因此熱采沉砂封隔器不再下滑。

圖5 下卡瓦下滑距離隨坐封力變化曲線

3.3 卡瓦槽壁厚對上下卡瓦下滑距離的影響

保持其他因素不變,分別加工卡瓦槽壁厚為3.5、3.0、2.5 mm的上下卡瓦并分別進行坐封實驗,記錄上卡瓦張開力,并繪制成柱狀圖,如圖6所示,經測量3次實驗下卡瓦均未下移,究其原因,雖然卡瓦槽壁厚逐漸變薄,上下卡瓦張開的力逐漸變小,但相比于坐封力而言,該力對卡瓦咬合套管力影響不大,因此卡瓦槽壁厚雖然一定程度上影響卡瓦與套管的咬合力,但對熱采沉砂封隔器下滑影響并不顯著。

圖6 上卡瓦張開力隨卡瓦槽壁厚變化曲線

4 結論

1)坐封時間對電纜坐封沉砂封隔器下滑影響顯著,在火藥燃盡時間內,有效坐封時間越長,電纜坐封沉砂封隔器越不易下滑。

2)坐封力對電纜坐封沉砂封隔器下滑影響顯著,坐封力越大,卡瓦與套管咬合力越大,電纜坐封沉砂封隔器越不易下滑。

3)卡瓦槽壁厚對電纜坐封沉砂封隔器下滑影響不顯著,卡瓦槽壁厚越薄,雖然一定程度上可減小坐封阻力,但在一定范圍內,對卡瓦與套管的咬合力影響不大,不是影響電纜坐封沉砂封隔器下滑的主要因素。