耐二氧化碳井下節(jié)流器投撈工藝延長凝析氣井經(jīng)濟(jì)開采期

關(guān)鍵詞/主題詞：工程技術(shù)；勘探開發(fā)；井下作業(yè)；二氧化碳；提高采收率；二氧化碳吞吐；能源安全；算法

0引言

目前國內(nèi)的凝析氣田投入正式開發(fā)后，根據(jù)氣藏儲層物性、試氣試采和配產(chǎn)情況，區(qū)塊初期具有一定自噴能力，因而采用自噴投產(chǎn)工藝［1］。在油井自噴生產(chǎn)階段，由于氣量大、壓力高，需要在井口安裝節(jié)流器降壓，但節(jié)流降壓后易產(chǎn)生凍堵現(xiàn)象，故采用水套爐加熱規(guī)避節(jié)流器凍堵，為解決這一問題，傳統(tǒng)方法是使用水套爐對流體進(jìn)行加熱，從而規(guī)避節(jié)流器的凍堵風(fēng)險(xiǎn)。然而，水套爐加熱方式存在運(yùn)行成本較高的問題，不符合低成本開發(fā)的要求。為此，逐漸發(fā)展出采用井下節(jié)流器的投產(chǎn)工藝。通過在井下安裝節(jié)流器，直接在井底進(jìn)行降壓，避免了地面節(jié)流產(chǎn)生的溫降和凍堵問題，同時(shí)簡化了地面設(shè)施，降低了開發(fā)成本［2］。

井下節(jié)流器下放至井筒設(shè)計(jì)深度，通過調(diào)節(jié)氣嘴大小來控制產(chǎn)量，其在井筒中實(shí)現(xiàn)井筒節(jié)流降壓的同時(shí)，充分利用地溫對節(jié)流后的天然氣進(jìn)行加熱，以避免井筒凍堵［3］。活動(dòng)式井下節(jié)流器主要由中心桿、打撈頭、卡瓦、密封膠碗、氣嘴和濾砂網(wǎng)組成，其工作過程主要分投放、座封和打撈三個(gè)環(huán)節(jié)［4］。井下節(jié)流器投放、生產(chǎn)制度調(diào)整或井下節(jié)流器失效均需進(jìn)行投撈作業(yè)，現(xiàn)場一般采用測試車鋼絲投撈，井下節(jié)流器作業(yè)應(yīng)遵循氣井井下節(jié)流技術(shù)規(guī)范［5］。

二氧化碳是空氣中常見的化合物，常溫下為無色無味氣體，其分子結(jié)構(gòu)并不具備水分子所固有的極性特征。在較高的油藏溫度和壓力環(huán)境下，二氧化碳并非以低粘度液態(tài)溶解于油中，而是呈現(xiàn)一種隨壓力增大而溶解量相應(yīng)增加的現(xiàn)象。當(dāng)溫度高于31℃和壓力高于7.38MPa時(shí)，處于超臨界狀態(tài)［6］。

二氧化碳超臨界態(tài)表現(xiàn)在溫度和壓力均高于臨界點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)，超臨界二氧化碳同時(shí)具有液體高密度和氣體低粘度的特點(diǎn)，擴(kuò)散系數(shù)較大，有極高的溶解能力［7］。橡膠密封件在碰到超臨界二氧化碳流體時(shí)，橡膠就被二氧化碳溶脹，并隨時(shí)間的延長溶脹程度持續(xù)加劇，以至于出現(xiàn)表面龜裂等現(xiàn)象。

超臨界二氧化碳能使橡膠溶脹改性和廢舊橡膠脫硫，相當(dāng)于超臨界二氧化碳流體對橡膠進(jìn)行降解，這種降解作用易導(dǎo)致以橡膠作為密封件的井下工具遭到破壞，從而影響油氣井安全生產(chǎn)［8］。

對于部分含二氧化碳的凝析氣井，在開采中遇到極大的困難，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，二氧化碳含量高，導(dǎo)致井下節(jié)流器的橡膠密封件侵蝕溶脹嚴(yán)重［9］。另一方面，井下節(jié)流器的入井投送及取出打撈均需要鋼絲投撈作業(yè)，由于自身結(jié)構(gòu)及密封件失效原因?qū)е峦稉评щy［10］。

王邃等針對丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠以及氟橡膠在模擬超臨界二氧化碳環(huán)境下的耐腐蝕性和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，其研究結(jié)果顯示，隨著環(huán)境溫度的升高與服役時(shí)間的延長，二氧化碳等腐蝕性介質(zhì)滲透進(jìn)入橡膠材料內(nèi)部的速率顯著加快，三種橡膠材料中，氫化丁腈橡膠更易抵抗二氧化碳腐蝕［11］。

李巖等聚焦于二氧化碳與硫化氫的腐蝕機(jī)理分析，系統(tǒng)性地概述了pH值、溫度、硫化氫分壓、氯離子濃度等多重因素對油管腐蝕行為的影響，并著重探討了二氧化碳與硫化氫分壓比對管材腐蝕機(jī)制的復(fù)雜作用。研究結(jié)果顯示，不同的二氧化碳與硫化氫分壓比能夠顯著改變腐蝕過程，對二者間的競爭與協(xié)同機(jī)制產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。特別是在高二氧化碳與硫化氫分壓比條件下，更易誘發(fā)局部腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)一步揭示了該環(huán)境下腐蝕行為的復(fù)雜性［12］。

趙士杰等實(shí)施了一系列試驗(yàn)，包括二氧化碳-硫化氫腐蝕試驗(yàn)與高溫拉伸試驗(yàn)，聚焦于四丙氟橡膠、氟橡膠以及氫化丁腈橡膠這三種具有代表性的橡膠材料。試驗(yàn)結(jié)果顯示，四丙氟橡膠的綜合性能相較于氟橡膠略遜一籌；而在與氫化丁腈橡膠的比較中，四丙氟橡膠與氟橡膠的綜合性能，尤其是在175℃下的力學(xué)性能，表現(xiàn)出輕微的優(yōu)勢。這些發(fā)現(xiàn)為在高二氧化碳-硫化氫含量、高溫高壓腐蝕環(huán)境下，井下工具所用橡膠材料的選擇提供了重要的參考依據(jù)［13］。

白玉震等系統(tǒng)回顧了在二氧化碳與硫化氫共存的腐蝕環(huán)境中，應(yīng)用緩蝕劑減緩金屬表面腐蝕的研究進(jìn)展。詳細(xì)探討了硫化氫分壓、二氧化碳分壓以及pH值對腐蝕速率的具體影響，并對緩蝕劑的發(fā)展方向及未來研究前景進(jìn)行了深入的展望［14］。

曹大勇等選取氫化丁腈橡膠制成的O型圈作為研究對象，通過高溫高壓耐酸反應(yīng)釜模擬了現(xiàn)場的高溫高壓工作環(huán)境，以截面積變化率作為關(guān)鍵評估指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在承壓狀態(tài)下，氫化丁腈橡膠O型圈的截面積增幅接近50%。此外，還模擬了現(xiàn)場高含酸液介質(zhì)的工作環(huán)境，對腐蝕損傷進(jìn)行了試驗(yàn)評估。研究揭示，即使具有一定密封性能的長期服役氫化丁腈橡膠O型圈，在試驗(yàn)周期內(nèi)也存在密封失效的風(fēng)險(xiǎn)［15］。

武治強(qiáng)等通過水泥環(huán)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及二氧化碳腐蝕-應(yīng)力耦合的固井水泥環(huán)有限元分析模型系統(tǒng)分析，結(jié)果表明受二氧化碳腐蝕，水泥石的宏觀力學(xué)性能發(fā)生改變，在腐蝕和套管內(nèi)壓的耦合作用下，水泥環(huán)更易于出現(xiàn)完整性失效問題［16］。

萬家瑰等針對油田二氧化碳采出井的腐蝕環(huán)境進(jìn)行了模擬，開展了高溫高壓條件下的腐蝕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以二氧化碳分壓1MPa為臨界點(diǎn)，低于此臨界點(diǎn)時(shí)，腐蝕速率隨分壓升高而大幅度增加；而高于此臨界點(diǎn)時(shí)，腐蝕速率的增長則趨向平緩［17］。

趙壘等進(jìn)行了影響多因素管柱腐蝕速率分析，按照工程現(xiàn)場要求，建立了相關(guān)腐蝕速率預(yù)測模型。研究結(jié)果表明，井筒溫度、直徑等參數(shù)，均會導(dǎo)致管柱腐蝕位置偏移［18］。

吳保玉等開展了一系列井下腐蝕評價(jià)實(shí)驗(yàn)，包括掛片失重法腐蝕評價(jià)、油管耐折壓力強(qiáng)度試驗(yàn)評價(jià)、井筒流體分析以及利用X射線光譜儀和掃描電鏡等設(shè)備進(jìn)行的三維表征監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。通過比較發(fā)現(xiàn)在1000m、1500m深的地層中，地層越深腐蝕越嚴(yán)重［19］。

肖述琴等研制了一種新型接箍座落式井下節(jié)流器，通過有限元對該節(jié)流器創(chuàng)新進(jìn)行了分析，滿足現(xiàn)場要求。該節(jié)流器現(xiàn)場應(yīng)用38口井，其中10口井用鋼絲進(jìn)行節(jié)流器打撈作業(yè)，成功率100%［20］。

馬輝運(yùn)等設(shè)計(jì)并建立了一套可視化井下節(jié)流實(shí)驗(yàn)裝置，通過將嘴流分為段塞、攪動(dòng)、環(huán)流三種情況進(jìn)行特性分析，建立了不同嘴流模型，現(xiàn)場通過雙探8井驗(yàn)證了該井的設(shè)計(jì)嘴徑與深度，對不同流型下各預(yù)測模型準(zhǔn)確性做出了定性判斷［21］。

毛軍研發(fā)了一種新型高溫高壓測試封隔器膠筒，該膠筒重新進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與橡膠優(yōu)選，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與有限元模擬仿真，該膠筒能承壓105MPa，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，上膠筒外徑變化率在5%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場需求［22］。

柳潔等通過浸泡失重試驗(yàn)與電化學(xué)試驗(yàn)，系統(tǒng)地評估了在模擬井液中（pH值分別為3.0、7.2和9.0）節(jié)流器卡瓦下座的耐腐蝕性能。研制了改性鎂合金制作可溶式節(jié)流器，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示其承壓性能與耐腐蝕性能均滿足蘇里格氣田的氣井生產(chǎn)要求［23］。

李佳欣等針對天然氣井中應(yīng)用的活動(dòng)型與固定型井下節(jié)流器，通過文獻(xiàn)調(diào)研的方式，綜合分析了當(dāng)前井下節(jié)流器的優(yōu)缺點(diǎn)。基于這些分析，預(yù)測未來智能化井下節(jié)流技術(shù)是發(fā)展趨勢［24］。

呂維平等設(shè)計(jì)了一種用于連續(xù)管作業(yè)的機(jī)械式節(jié)流器，通過對節(jié)流嘴的有限元分析、全流程工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及內(nèi)部泵壓、外部密封的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，保證了該節(jié)流器能夠滿足新井的全流程生產(chǎn)［25］。

宋顯民等通過建立大斜度井井筒動(dòng)力學(xué)模型，該模型進(jìn)行了鋼絲受力分析并完成了動(dòng)力學(xué)求解流程，該模型選取三段制、五段制大斜度井進(jìn)行力學(xué)特性規(guī)律驗(yàn)證，相較于三段制井，五段制井鋼絲承受載荷都相對較大［26］。

馬勝吉基于現(xiàn)用井下節(jié)流器在打撈作業(yè)中存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新型可退式打撈筒，該打撈筒進(jìn)行了工具抓手設(shè)計(jì)與黃銅光磨棒的銷釘拉力室內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最大剪切負(fù)荷達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，利用該打撈工具現(xiàn)場成功打撈了節(jié)流器［27］。

杜軍軍等通過對高壓與中低壓集輸井下節(jié)流器最小下入深度與嘴徑計(jì)算，模擬了井筒溫度與壓力。研究結(jié)果表明，該裝置在井下節(jié)流能夠滿足高壓集輸氣井防凍堵要求，中低壓集輸氣井易采用地面節(jié)流的方式生產(chǎn)［28］。

黃霖等研制出耐硫井下節(jié)流器，該節(jié)流器主要對材質(zhì)優(yōu)選為V形盤根聚四氟乙烯填料，增加泄沙孔數(shù)量與過流面積，選取高石001-X24試驗(yàn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)節(jié)流器打撈頭被垢物掩埋，后制定應(yīng)用優(yōu)化方案先后在11口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明氣井均達(dá)配產(chǎn)要求［29］。

竇益華等聚焦井下節(jié)流工藝中參數(shù)變化的研究，這些變化與節(jié)流過程中天然氣的溫度、壓力、流速及氣體密度等密切相關(guān)。通過綜合分析節(jié)流溫降壓降模型、天然氣水合物預(yù)測模型以及井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)文獻(xiàn)，系統(tǒng)闡述了井下節(jié)流工藝的研究成果與發(fā)展脈絡(luò)，并指出了當(dāng)前研究中存在的問題，為后續(xù)研究方向提供了明確指引［30］。

辛?xí)灾葎?chuàng)新性地應(yīng)用了井口與井下雙節(jié)流噴嘴技術(shù)，基于PIPESIM軟件計(jì)算的井下節(jié)流器防治水合物規(guī)律，井口節(jié)流調(diào)節(jié)產(chǎn)量能力，該技術(shù)陸續(xù)對現(xiàn)場6口井進(jìn)行應(yīng)用，對其中有凍堵風(fēng)險(xiǎn)的井配合放噴均取得了良好效果［31］。

王志彬等研制了安裝井下節(jié)流器的泡沫排水采氣井模擬實(shí)驗(yàn)裝置，本研究通過嘴流前后壓力變化實(shí)驗(yàn)，評估了嘴流流態(tài)與壓降在臨界流、亞臨界流兩種條件下的主要參數(shù)變化規(guī)律，并對4種模型的滑脫因子進(jìn)行了修正，本實(shí)驗(yàn)裝置對其他類型泡排劑也有借鑒意義［32］。

劉新福等研究了一種氣水兩相井筒節(jié)流前后動(dòng)態(tài)特性分析與控制方法，通過對氣水兩相井下節(jié)流熱力學(xué)模型及井下節(jié)流場數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，現(xiàn)場選取鄂爾多斯盆地高壓含水氣井進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，氣水兩相流體井筒運(yùn)移節(jié)流過程臨界質(zhì)量流量受噴嘴內(nèi)徑的影響最大［33］。

藺嘉昊等利用pipesim軟件建立了氣井生產(chǎn)模型，根據(jù)蘇里格氣田井口節(jié)流和井下節(jié)流的天然氣水合物生成風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，氣井產(chǎn)量逐漸下降，水合物生成風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大；井底流壓越高，水合物生成的邊界流量越大［34］。

在橡膠密封件的研究領(lǐng)域內(nèi)，現(xiàn)有文獻(xiàn)資料已明確指出，橡膠材料在腐蝕環(huán)境下會發(fā)生顯著的溶脹現(xiàn)象，導(dǎo)致其物理性能大幅下降。然而，針對特定的井筒環(huán)境，目前尚未開展詳盡的腐蝕性狀定量分析工作。。因此，針對氣井環(huán)境中橡膠密封元件在腐蝕前后的力學(xué)性能測試進(jìn)行選型。

在井下節(jié)流器的文獻(xiàn)調(diào)研中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一系列改進(jìn)的井下節(jié)流器已能滿足普通凝析氣井的生產(chǎn)需求。然而，對于特殊天然氣氣藏，如高含二氧化碳凝析氣井，如何在高腐蝕環(huán)境中改善節(jié)流器結(jié)構(gòu)，使其更易解封與投撈，仍是現(xiàn)場亟待解決的關(guān)鍵問題。

在進(jìn)行井下節(jié)流器密封件的室內(nèi)篩選時(shí)，為了真實(shí)反映井下壓力、溫度及介質(zhì)對密封橡膠的影響，進(jìn)行了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)篩選。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了密封主體材料生膠的選擇及密封材料的配方，通過對比外觀及材料物理性能的變化率，能夠準(zhǔn)確判斷哪種材料具有良好的耐二氧化碳?xì)怏w性能。實(shí)驗(yàn)過程中，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括外觀描述（如氣泡數(shù)量、大小、裂口等缺陷）及密封材料在耐二氧化碳過程中的物理性能變化率。缺陷越多或變化率越大，說明耐二氧化碳性能越差，反之則越好。

井下節(jié)流器設(shè)計(jì)完成并加工好后，需要在地面進(jìn)行投撈功能性試驗(yàn)，功能性試驗(yàn)主要從卡、座、封、撈四個(gè)方面進(jìn)行。

（1）“卡”：是井下節(jié)流器勻速下放至設(shè)計(jì)深度，無卡頓；緩慢上提時(shí)使卡瓦能掛住油管壁，確保其不能沿油管壁移動(dòng)。

（2）“座”：主要是送放工具丟手后，工具得以座封于設(shè)計(jì)位置。

（3）“封”：主要是工具在設(shè)定壓差內(nèi)不串漏。

（4）“撈”：下入打撈筒能撈出油管中的節(jié)流器。

1方法過程

1.1研究方法過程

根據(jù)二氧化碳侵蝕機(jī)理，深入分析了節(jié)流器失效的原因，主要包括密封件損壞、設(shè)計(jì)和材質(zhì)選擇、人為因素、井內(nèi)出砂、結(jié)垢等因素。

井下節(jié)流器的橡膠密封件對于保證節(jié)流器密封性能至關(guān)重要，需要進(jìn)行材質(zhì)的優(yōu)選和實(shí)驗(yàn)。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M二氧化碳環(huán)境時(shí)，影響密封件侵蝕的因素主要環(huán)境、溫度、介質(zhì)流速、含水量及pH值等參數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)中，必須注意以上參數(shù)變化對橡膠密封件的影響。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期校準(zhǔn)儀器和設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)加強(qiáng)儀器采購、存儲、使用、維護(hù)全過程的管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器性能的偏差，防止設(shè)備誤差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮各級參數(shù)變量控制、各項(xiàng)試劑配比和環(huán)境條件等因素，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性和可重復(fù)性。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析幫助科研人員準(zhǔn)確識別數(shù)據(jù)中的偏差和異常值，為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法提供依據(jù)。

首先，根據(jù)現(xiàn)場及目前市場上的節(jié)流器應(yīng)用的14種橡膠材料進(jìn)行了初步篩選，從中選出1-9號橡膠進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)。其次，采用耐二氧化碳實(shí)驗(yàn)儀器，模擬井下實(shí)際環(huán)境，對密封主體的生膠材料進(jìn)行優(yōu)選。將1-9號橡膠按GB/T528-2009進(jìn)行拉伸性能測試，同時(shí)，遵循GB/T2411-2008進(jìn)行硬度測試。實(shí)驗(yàn)條件如下：二氧化碳分壓1.5MPa，濃度170000mg/L，溫度150℃，浸泡時(shí)間168h。實(shí)驗(yàn)在耐腐蝕合金材料鍛造的養(yǎng)護(hù)釜中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程如下：首先對橡膠試樣的力學(xué)性能進(jìn)行測試，然后將啞鈴狀橡膠試樣有序放置于密封養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)，持續(xù)2h注入氮?dú)猓{(diào)至設(shè)計(jì)溫度，充入二氧化碳?xì)怏w達(dá)到設(shè)計(jì)分壓保持7d，試驗(yàn)完成后，取出試件干燥處理，測量經(jīng)腐蝕后的試件外觀變化與力學(xué)性能，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析與記錄。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選出氫化丁腈橡膠作為新型耐二氧化碳井下工具的基礎(chǔ)橡膠材料，加入炭黑和高強(qiáng)度填料等原材料，保證了在高壓下密封性能及避免在超臨界二氧化碳流體下的溶脹現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中研究配制了20余種抗二氧化碳的橡膠材料，從中精選出了11種橡膠材料，11種新配方橡膠材料在試驗(yàn)井進(jìn)行了井下耐二氧化碳試驗(yàn)，最終確定H-9橡膠材料作為井下節(jié)流器的橡膠密封件。

井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)改進(jìn)。凝析氣井可通過井下節(jié)流器的投撈深度及改變氣嘴大小隨意改變該氣井的生產(chǎn)制度。其投撈的便捷性成為井下節(jié)流器能否在井筒中大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)之一。根據(jù)前述節(jié)流器失效的4方面原因，第1項(xiàng)已通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)解決，第3、4項(xiàng)因素前人研究中已得到有效處理。針對第2項(xiàng)失效原因，從井下節(jié)流器的結(jié)構(gòu)入手，進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)，節(jié)流器工作原理如圖1所示。

從圖1中可以看出，活動(dòng)式井下節(jié)流器的投撈作業(yè)是通過鋼絲進(jìn)行的，其投送過程包括將井下節(jié)流器投撈頭連接上鋼絲測試車，并按照設(shè)計(jì)深度從防噴管內(nèi)勻速下入，到達(dá)接近卡點(diǎn)位置時(shí)，加速下放后迅速上提，使節(jié)流器上的卡瓦被卡定在油管內(nèi)壁上，同時(shí)密封皮碗受到擠壓撐起，使其緊貼油管內(nèi)壁，完成節(jié)流器的投送及座封。迅速上提，使節(jié)流器上的卡瓦被卡定在油管內(nèi)壁上，繼續(xù)上提操作，剪斷投撈頭與節(jié)流器本體之間的丟手銷釘，井下節(jié)流器的投撈頭與投撈工具串一同被起到地面。在將節(jié)流器按設(shè)計(jì)深度投放后，開井生產(chǎn)時(shí)，節(jié)流器的密封膠碗在節(jié)流壓差的作用下進(jìn)一步膨脹，從而使密封更加可靠，高壓氣體通過節(jié)流器氣嘴后形成低溫低壓氣體，低溫低壓氣體在井筒中持續(xù)上升，并逐漸吸收地層熱量，使自身的溫度上升，當(dāng)氣體的溫度上升到水合物臨界溫度以上時(shí)，水合物凍堵便無法形成。

（1）在中心桿的尾部增加了開槽設(shè)計(jì)。在中心桿尾部采用開槽設(shè)計(jì)，旨在降低打撈井下節(jié)流器時(shí)密封膠碗與油管內(nèi)壁之間的摩擦阻力。在打撈井下節(jié)流器時(shí)，打撈器通過下壓中心桿尾部，使中心桿向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)中心彈簧壓縮，從而使密封膠碗下部的拖筒下移，密封膠碗在自身的彈力作用下回縮，降低皮碗與油管內(nèi)壁的摩擦力，減小打撈時(shí)鋼絲的上提力，顯著提高打撈的可靠性。

（2）在上皮碗的內(nèi)部增加了鋼內(nèi)套，并在相應(yīng)的部位增加卡簧設(shè)計(jì)。常規(guī)節(jié)流器的上皮碗是一個(gè)純橡膠制作的碗狀密封件，在打撈時(shí)由于其和油管內(nèi)壁之間的摩擦力導(dǎo)致其向下運(yùn)動(dòng)，使皮碗的唇部像楔子一樣緊緊地楔進(jìn)下皮碗與油管內(nèi)壁的空隙內(nèi)，隨著鋼絲向上的牽引力增加，其摩擦力也相應(yīng)增加，導(dǎo)致打撈困難。設(shè)計(jì)改進(jìn)以后，打撈時(shí)隨著中心桿被打撈器下壓，消除了下密封碗的頂托作用，上提井下節(jié)流器時(shí)由于上密封碗內(nèi)的卡簧卡在大中心管上，使上皮碗在受到油管內(nèi)壁摩擦力的作用時(shí)不再向下運(yùn)動(dòng)，避免了楔形作用導(dǎo)致的摩擦力劇增，從而降低了打撈時(shí)的鋼絲拉力，增加了打撈的可靠性。

（3）在卡瓦上增加釋放卡簧。原有設(shè)計(jì)由于沒有卡簧，在井下節(jié)流器投放過程中，由于卡瓦始終與油管內(nèi)壁處于貼合狀態(tài)，導(dǎo)致在整個(gè)節(jié)流器下放過程中不能上提。這不僅給節(jié)流器的投放工作帶來影響，也會導(dǎo)致節(jié)流器在下放過程中剮蹭油管內(nèi)的污物而使節(jié)流器投放失敗。為解決這個(gè)問題，在節(jié)流器的卡瓦位置設(shè)置了釋放卡簧。釋放卡簧的作用就是能夠卡住節(jié)流器上的三個(gè)卡瓦，使節(jié)流器在投放過程中卡瓦不再與油管內(nèi)壁相接觸，而在節(jié)流器下放到設(shè)計(jì)深度時(shí)，可以通過快速上提節(jié)流器時(shí)卡瓦的慣性將卡瓦釋放，達(dá)到座封節(jié)流器的目的。由于卡簧在整個(gè)節(jié)流器下放過程中使節(jié)流器卡瓦始終處于收縮狀態(tài)，避免了下放時(shí)與油管內(nèi)壁的剮蹭，當(dāng)下放途中有輕微遇阻時(shí)，也可通過緩慢上提節(jié)流器進(jìn)行上下活動(dòng)，方便了操作人員，為節(jié)流器的投放提供了更大操作空間，有利于節(jié)流器的投放工作。

（4）所有的金屬零件均換成了不銹鋼材質(zhì)。不銹鋼含有的各項(xiàng)合金元素在腐蝕環(huán)境中發(fā)揮了各種不同的耐蝕性。而在凝析氣井中，由于二氧化碳的存在，節(jié)流器的鋼體面臨腐蝕的挑戰(zhàn)。由此為了解決這一問題，采用耐酸不銹鋼加工井下節(jié)流器以杜絕腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2現(xiàn)場應(yīng)用案例

自福山油田正式投入開發(fā)以來，根據(jù)油藏原油性質(zhì)、試油試采和配產(chǎn)情況，該區(qū)塊具有一定自噴能力。人工舉升采油方式通常是充分利用地層能量，初期自噴生產(chǎn)，停噴或產(chǎn)量無法滿足配產(chǎn)時(shí)，采用機(jī)采方式接替，并盡量延長油井自噴期。隨著油田開發(fā)的持續(xù)深入，高含二氧化碳的凝析氣藏被開發(fā)，根據(jù)當(dāng)前已探明氣藏的天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)分析，約有15～17口生產(chǎn)井含較高的二氧化碳，主要分布在A1、A2和A3三個(gè)區(qū)塊，其二氧化碳含量介于2.7%～76.4%之間，平均含量17.2%。C3、C4的含量在5%～7%范圍內(nèi)。明確顯示這些氣藏屬于高凝析氣、高二氧化碳類型。

在氣井自噴生產(chǎn)階段，由于氣量大、井底壓力高，井口節(jié)流降壓過程中產(chǎn)生凍堵現(xiàn)象，主要通過安裝地面水套爐加熱的方式來解決這一問題。盡管該方法能有效緩解地面管線的凍堵狀況，但其高能耗導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加，并相應(yīng)提升了地面建設(shè)投資。井下節(jié)流技術(shù)能顯著簡化地面建設(shè)工藝，無需井口加熱爐，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的；同時(shí)該技術(shù)還能增強(qiáng)氣流攜液能力，延長氣井壽命。尤其適用于地層能量充沛，井口壓力較高的氣井。

為了明確井內(nèi)凍堵物的成分以及導(dǎo)致凍堵的環(huán)境溫度和壓力條件，針對福山油田現(xiàn)場的高含二氧化碳的凝析氣進(jìn)行了取樣和相態(tài)變化分析。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，凍堵現(xiàn)象表現(xiàn)為凍堵速度快、解凍時(shí)間短。這與傳統(tǒng)天然氣水合物凍堵的的特征存在顯著差異。天然氣水合物凍堵后需要加入甲醇等解堵藥劑浸泡1-2d才能完成解堵，而高含二氧化碳凝析氣井凍堵后，未采用加入甲醇的情況下，在1-2h內(nèi)即自行解堵。從對井內(nèi)取出的凍堵樣品進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)凍堵的樣品顏色發(fā)黃，從取樣桶中取出后迅速蒸發(fā)，殘留液體極少。通過對表觀現(xiàn)象的分析，以及對二氧化碳與凝析氣混合物相態(tài)變化綜合考量，得出以下結(jié)論：高含二氧化碳凝析氣井開采過程中產(chǎn)生的凍堵物質(zhì)并非傳統(tǒng)意義上的天然氣水合物，而是由固體二氧化碳和凝析油在低溫狀態(tài)下形成的固體混合物。這一發(fā)現(xiàn)為未來高含二氧化碳凝析氣井條件下凍堵的解除方法提供了新的研究方向。同時(shí)，也為其他高組分凝析氣井的凍堵物質(zhì)成分研究提供了有效的方法論。

井下節(jié)流工藝從工程技術(shù)角度來講，在凝析氣井的應(yīng)用需要開展大量的理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。因此，經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，成功研制出耐二氧化碳節(jié)流器，并在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。

X1井完鉆井深2930m，造斜點(diǎn)670m，最大井斜25°（2093m），井底位移530.78m，采氣樹型號為KQ65-35，關(guān)井油套壓分別為10.8MPa、11MPa，返排試氣產(chǎn)量為8×104m3/d，二氧化碳含量高達(dá)30%，由于二氧化碳濃度過高，試氣過程中曾一度關(guān)井。后續(xù)投產(chǎn)時(shí)，為規(guī)避地面節(jié)流可能引發(fā)的管線凍堵問題，嘗試采用井下節(jié)流工藝。然而，在高含凝析油與二氧化碳環(huán)境下，這對井下節(jié)流器的橡膠密封件的密封及承壓差能力構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。具體而言，凝析油和二氧化碳的共同作用導(dǎo)致井下節(jié)流器的橡膠密封件溶脹、起泡等現(xiàn)象，進(jìn)而削弱了橡膠的硬度及抗壓差能力，該井在投產(chǎn)7d后，便因二氧化碳侵蝕造成井下節(jié)流器密封件失效而關(guān)井。

當(dāng)井下節(jié)流器故障后，需對井筒中的節(jié)流器進(jìn)行打撈，將打撈工具下放至預(yù)設(shè)深度1800m的過程中，首次嘗試打撈未能成功，且后續(xù)兩次重復(fù)操作亦未果。隨后，打撈作業(yè)持續(xù)進(jìn)行，期間采用了往復(fù)下砸與震擊的方法，但遺憾的是，該策略同樣未能實(shí)現(xiàn)節(jié)流器的打撈。進(jìn)一步嘗試提升節(jié)流器時(shí)，發(fā)現(xiàn)其無法被移動(dòng)，即便采取了緩慢與快速的震擊手段，均未能奏效。現(xiàn)場經(jīng)過論證，決定更換打撈筒再次打撈，同時(shí)采用加粗鋼絲進(jìn)行快速震擊，最終成功完成了節(jié)流器的打撈作業(yè)，整個(gè)節(jié)流器的打撈耗時(shí)5d。井下節(jié)流器的失效及打撈難題，嚴(yán)重地影響了氣井的正常生產(chǎn)。為此，為了優(yōu)化作業(yè)效率與減少故障影響，現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用了一種新的井下節(jié)流器密封件橡膠配方，并對節(jié)流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性的改進(jìn)，旨在增強(qiáng)其耐二氧化碳腐蝕的性能并便于未來的打撈作業(yè)。這一改進(jìn)后的井下節(jié)流工藝技術(shù)，在現(xiàn)場試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證與應(yīng)用。

為了確保耐二氧化碳的易打撈井下節(jié)流工藝的順利實(shí)施，工藝應(yīng)用前，對該節(jié)流器的投撈性能進(jìn)行了驗(yàn)證，主要有以下幾項(xiàng)工作內(nèi)容。

（1）依據(jù)X1井的高含凝析油、二氧化碳凝析氣井的特征，對井內(nèi)現(xiàn)有溫度、壓力條件下凝析油、二氧化碳的性質(zhì)進(jìn)行了深入分析與計(jì)算。

（2）對井下節(jié)流器密封件的漲開情況進(jìn)行驗(yàn)證。通過通桿插入氣嘴并施加向下的壓力，這時(shí)保護(hù)套應(yīng)完全罩住自封式皮碗，而機(jī)械式皮碗則處于未受力狀態(tài)，其外徑為58mm，取出通桿后，保護(hù)套應(yīng)從自封皮碗外跳出，這時(shí)機(jī)械皮碗外徑應(yīng)擴(kuò)展至62～64mm，以驗(yàn)證其漲開性能。

（3）對井下節(jié)流器的管爪活動(dòng)情況進(jìn)行驗(yàn)證，通過連接下入工具，并在下入工具和氣嘴總成間插上銷釘，經(jīng)過銼平處理，確保管爪能順暢地來回移動(dòng)。

（4）對氣嘴的清潔度進(jìn)行檢查，確保孔眼處無堵塞現(xiàn)象，以保證節(jié)流器的正常功能。隨后，連接好下井工具串，按照施工設(shè)計(jì)要求，將節(jié)流器連接并下放至設(shè)計(jì)深度，施工過程如下。

在井口油壓與套壓均為11MPa的情況下，按照施工設(shè)計(jì)要求，將節(jié)流器連接并開始投放，工具串由吊車將其緩慢吊起直到防噴管最上端位置，然后用人工將其扶正緩慢地進(jìn)入防噴管內(nèi)，裝好防噴盒后開始下放節(jié)流器。在下放過程中，首先使用手搖絞車緩慢勻速下放，然后使用絞車以40m/min的速度勻速下放。

當(dāng)節(jié)流器下到設(shè)計(jì)位置1750m處時(shí)，按照節(jié)流器的投放工序，猛然拉住剎車，使節(jié)流器卡瓦彈出，然后慢慢上提工具串，觀察試井車面板鋼絲張力變化情況，發(fā)現(xiàn)張力未明顯增加，表明節(jié)流器卡瓦并沒有完全撐開，再次將工具下放到1760m，猛然拉住剎車，上提工具串到1750m時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)鋼絲張力在不斷上升，說明卡瓦已經(jīng)坐住。再上提試井鋼絲，張力達(dá)到300kg，井口油壓由原來的11MPa降到7MPa，套壓保持不變，說明節(jié)流器的膠筒已完全座封。

松開絞車剎車后、試井鋼絲被緩慢下放，直至工具串至鋼絲完全放松，然后迅速上提鋼絲，以激活震擊器的震擊功能，經(jīng)過6次震擊后，節(jié)流器投放銷釘被順利剪斷，標(biāo)志著節(jié)流器投放成功，并最終坐定于1750m處，隨后入井工具順利取出，恢復(fù)井口正常流程。

該井在利用測試車成功下入節(jié)流器后，正常生產(chǎn)，其平均日產(chǎn)氣8017m3，日產(chǎn)凝析油量為2.1t，日產(chǎn)水0m3，油壓8.9MPa，套壓10.8MPa，井口溫度11℃，該井連續(xù)且穩(wěn)定生產(chǎn)了120d。

改進(jìn)后的節(jié)流器結(jié)構(gòu)在鋼絲作業(yè)中一次性成功完成了投撈操作。檢查了節(jié)流器的橡膠密封件，結(jié)果顯示其并未受到二氧化碳的侵蝕。因此，可以確認(rèn)該節(jié)流器滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

2結(jié)果現(xiàn)象討論

2.1延長生產(chǎn)時(shí)間分析

耐二氧化碳易投撈井下節(jié)流器在X1井應(yīng)用，新型橡膠密封件耐二氧化碳侵蝕效果良好，X1井由原來的開井7d延長至120d，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與井下試驗(yàn)，優(yōu)選優(yōu)化各項(xiàng)指標(biāo)，得出最優(yōu)橡膠配方。

（1）不同基礎(chǔ)橡膠件在二氧化碳環(huán)境中的指標(biāo)對比。對1-9號基礎(chǔ)橡膠試樣在高壓腐蝕環(huán)境下實(shí)驗(yàn)前后的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了對比，見表1。

從表1中可以看出，從不同膠種的力學(xué)性能、外觀及尺寸變化分析結(jié)果可以看出：1、3、5號橡膠樣品表面都有氣泡產(chǎn)生，單個(gè)泡小，凹凸不平，最大泡值5mm，力學(xué)性能參數(shù)較差；2、4號橡膠樣品表面都有氣泡產(chǎn)生，表面氣泡密集，凹凸不平，最大泡值大于10mm，力學(xué)性能參數(shù)最差；6、7號橡膠樣品表面氣泡密集，有單個(gè)小氣泡產(chǎn)泡，力學(xué)性能參數(shù)比1、3、5號橡膠樣品要好一些；8號橡膠樣品整體起氣泡而且一端鼓起；只有9號氫化丁腈橡無明顯氣泡，其他參數(shù)包括硬度變化、拉伸強(qiáng)度變化率、扯斷伸長率變化率這些參數(shù)指標(biāo)都優(yōu)于其他橡膠試樣。

通過上述試驗(yàn)并經(jīng)綜合比較可知，9號氫化丁腈橡膠的耐腐蝕性能優(yōu)于其他橡膠試樣。腐蝕后的橡膠試樣出現(xiàn)了軟化、變形、鼓泡和開裂等現(xiàn)象，表明其在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中發(fā)生了老化。當(dāng)橡膠材料處于腐蝕環(huán)境中，尤其是在高溫條件下，其交聯(lián)鍵會被氧化而導(dǎo)致斷裂，并且大分子基團(tuán)會發(fā)生降解，新的交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生。這使得分子鏈發(fā)生位移，引發(fā)化學(xué)應(yīng)力松弛，致使橡膠材料的物理性能下降。

進(jìn)一步的研究揭示了影響橡膠腐蝕程度的因素主要為溫度、壓強(qiáng)以及CO?含量。特別是在高溫環(huán)境中，不僅會加速橡膠材料的裂解和交聯(lián)反應(yīng)，還會增強(qiáng)其他因素對橡膠材料的腐蝕。因此在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮實(shí)際工作環(huán)境中所有影響橡膠力學(xué)性能的因素，避免僅依據(jù)空氣中橡膠的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)，以確保橡膠材料在實(shí)際工作中更為可靠和耐久。

（2）試驗(yàn)井不同深度對橡膠材料的影響。通過實(shí)驗(yàn)室條件篩選合適的基礎(chǔ)橡膠材料，并進(jìn)一步開發(fā)多種橡膠配方以制備橡膠密封件。據(jù)此將橡膠密封件做成標(biāo)準(zhǔn)的橡膠試驗(yàn)樣料，然后放入試驗(yàn)筒內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場井下試驗(yàn)。試驗(yàn)井二氧化碳含量19.8%。

現(xiàn)場試驗(yàn)共分為三個(gè)試驗(yàn)段，第一個(gè)試驗(yàn)段為井深500m，第二個(gè)試驗(yàn)段為井深1000m，試驗(yàn)時(shí)長60h，第三個(gè)試驗(yàn)段為井深1800m，見表2。

從表2中可以看出，第一個(gè)試驗(yàn)段井深500m，壓力12.66MPa，溫度為42.3℃，共計(jì)進(jìn)行了10個(gè)樣品的試驗(yàn)，從試驗(yàn)情況來看，H-1和H-2表面有明顯的起泡現(xiàn)象，H-3雖然沒有起泡現(xiàn)象，但是物理尺寸變化大，說明其溶脹效果明顯；H-4、H-5、起泡現(xiàn)象嚴(yán)重，H-6、H-7兩種材料雖然也存在輕微氣泡，但其物理尺寸變化相對于試驗(yàn)前比較小，H-8物理尺寸變化甚微，內(nèi)部有些許氣泡，H-9沒有變化，H-10尺寸變化較大，并且具有明顯的溶脹現(xiàn)象。第二個(gè)試驗(yàn)段井深1000m，經(jīng)過500m處的試驗(yàn)后，淘汰了H-10材料，其余的9種材料和另外增加的4種材料進(jìn)行1000m的試驗(yàn)，主要考證在500m時(shí)輕微起泡和形變材料在1000m溫度、壓力條件下的變化趨勢，1000m的試驗(yàn)時(shí)間是60h，從起出來的試驗(yàn)件來看，各試件的物理尺寸及起泡現(xiàn)象、硬度變化、拉伸強(qiáng)度變化率、扯斷伸長變化率基本和500m深度時(shí)相當(dāng)，沒有明顯的變化。第三個(gè)試驗(yàn)段井深1800m，從1800m試驗(yàn)條件下起出的材料試樣來看，相對500m、1000m起泡現(xiàn)象有所加重，經(jīng)過1000m處的試驗(yàn)后，增加了H-A材料，其余的9種材料和另外增加的4種材料進(jìn)行1800m的試驗(yàn)，主要考證在1000m時(shí)輕微起泡和形變材料在1800m溫度、壓力條件下的變化趨勢，1800m的試驗(yàn)時(shí)間是60h，從起出來的試驗(yàn)件來看，各試件的物理尺寸及起泡現(xiàn)象基本比1000m深度時(shí)加重，個(gè)別試樣出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的溶脹和開裂現(xiàn)象，H-9試樣的物理性能最好。通過不同井深的試驗(yàn)可以看出，井下節(jié)流器下入井中越深，溫度與壓力變化越大，橡膠材料的二氧化碳侵蝕越嚴(yán)重，試驗(yàn)過程中淘汰了H-3和H-10橡膠樣品，從總體上來看H-9試樣均保持了良好的性能。

（3）不同壓力下對橡膠密封件的影響。橡膠材質(zhì)力學(xué)性能測試在實(shí)驗(yàn)釜中進(jìn)行，反映橡膠材質(zhì)強(qiáng)度和塑性的物理量是拉伸性能。拉伸強(qiáng)度參數(shù)用試樣腐蝕后與腐蝕前的拉伸強(qiáng)度的比值數(shù)據(jù)表征，拉斷伸長率參數(shù)用試樣腐蝕后與腐蝕前的拉斷伸長率之比值表征，橡膠材料的受壓抗變形能力通過硬度參數(shù)反映。根據(jù)材料的硬度范圍，在五個(gè)不同位置測試樣品的硬度，測量結(jié)果的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

從圖2中可以看出，橡膠在二氧化碳環(huán)境中的拉伸強(qiáng)度隨著壓力的增大而下降。

壓力5MPa時(shí)，橡膠在二氧化碳環(huán)境中腐蝕后，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A抗拉強(qiáng)度分別降低了10%、18%、15%、20%、45%、37%、5%、3%、25%。

壓力10MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A抗拉強(qiáng)度分別降低了29%、38%、26%、35%、52%、56%、28%、5%、35%。

壓力18MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A抗拉強(qiáng)度分別降低了40%、47%、30%、41%、53%、68%、38%、20%、49%。

橡膠在二氧化碳環(huán)境中的拉斷伸長率隨著壓力的增大而下降。

壓力5MPa時(shí)，橡膠在二氧化碳環(huán)境中腐蝕后，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A拉斷伸長率分別降低了25%、15%、18%、20%、31%、44%、23%、1%、42%。

壓力10MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A拉斷伸長率分別降低了36%、29%、28%、30%、38%、56%、18%、2%、55%。

壓力18MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A拉斷伸長率分別降低了39%、27%、35%、35%、42%、60%、13%、8%、63%。

橡膠在二氧化碳環(huán)境中的硬度隨著壓力的增大而下降。

腐蝕前，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A硬度分別為73.3、75.9、78.1、69.9、72.1、76.3、74.2、96.1、79.4HA。

在壓力5MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A硬度分別為69.4、72.9、76.1、68.5、70.3、74.6、70.8、95.6、75.2HA。

在壓力10MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A硬度分別為67.2、62.7、73.2、65.9、62.3、66.0、68.5、95.2、73.1HA。

在壓力18MPa時(shí)，9種材料H-1、H-2、H-4、H-5、H-6、H-7、H-8、H-9、H-A硬度分別為60.5、55.4、66.8、59.8、57.9、62.3、69.2、84.2、56.9HA。

通過不同壓力的實(shí)驗(yàn)得出，H-9試樣的力學(xué)性能優(yōu)于其他橡膠材料，在11種新配方的橡膠試樣經(jīng)過二氧化碳侵蝕后，均出現(xiàn)了不同程度的軟化、變形、鼓泡甚至開裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致材料性能下降且變化幅度各異，H-9橡膠材質(zhì)的試件展現(xiàn)出了優(yōu)異力學(xué)性能，顯示出良好的耐二氧化碳腐蝕特性，適合用作富含二氧化碳的凝析氣井中井下節(jié)流裝置的橡膠密封元件。

2.2投撈成功率分析

井下節(jié)流器的投撈成功率是指在氣井作業(yè)中，成功打撈或投放節(jié)流器的比例。這一指標(biāo)對于評估節(jié)流器作業(yè)的效率以及保障氣井生產(chǎn)的順利進(jìn)行具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)該油田的投撈成功率為85%，而X1井在應(yīng)用改進(jìn)后的節(jié)流器打撈作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了從原先需耗時(shí)5d的多次打撈嘗試到一次性成功打撈的顯著轉(zhuǎn)變，這一成果有力地驗(yàn)證了耐二氧化碳節(jié)流器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的高度有效性。

傳統(tǒng)的井下節(jié)流器在實(shí)際應(yīng)用中暴露出打撈困難、密封性能不穩(wěn)定以及卡瓦座封不可靠等問題。為解決這些問題，提出了中心桿尾部開槽設(shè)計(jì)、密封上皮碗內(nèi)部加鋼內(nèi)套與卡簧設(shè)計(jì)、卡瓦位置設(shè)置釋放卡簧設(shè)計(jì)三點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并進(jìn)行了不同工況下的力學(xué)性能、密封性能等方面的模擬仿真分析，評估結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持與理論依據(jù)。通過仿真分析，可以在實(shí)際制造與應(yīng)用前，對改進(jìn)后的井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面評估，預(yù)測其在井下復(fù)雜環(huán)境中的工作性能，從而節(jié)省成本。

2.2.1模型分析

構(gòu)建井下節(jié)流器的仿真模型涉及四個(gè)關(guān)鍵步驟：首先是幾何結(jié)構(gòu)的建模，其次是材料特性的設(shè)置，第三是進(jìn)行網(wǎng)格生成，最后是定義模型的邊界條件。

（1）幾何模型構(gòu)建。使用專業(yè)的有限元軟件，根據(jù)井下節(jié)流器的實(shí)際尺寸和改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別構(gòu)建傳統(tǒng)井下節(jié)流器和改進(jìn)后的井下節(jié)流器的三維幾何模型。在建模過程中，對中心桿、密封膠碗以及鋼內(nèi)套進(jìn)行了適度的簡化處理。采用圓柱體來近似表示中心桿的形狀，同時(shí)，利用一個(gè)內(nèi)徑與所述圓柱體外徑相匹配的空心圓筒來模擬密封膠碗的結(jié)構(gòu)，并確保各部件之間的幾何關(guān)系準(zhǔn)確無誤。

（2）材料特性設(shè)置。根據(jù)井下節(jié)流器各部件的實(shí)際材料，在有限元軟件中設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。對于中心桿通常采用高強(qiáng)度合金鋼，密封膠碗采用橡膠材料，鋼內(nèi)套采用不銹鋼等，分別賦予其對應(yīng)的材料參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬各部件在不同工況下的力學(xué)行為。

（3）網(wǎng)格劃分。對構(gòu)建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，如密封膠碗與中心桿開槽部位的接觸區(qū)域、鋼內(nèi)套與密封膠碗及中心桿外壁接觸區(qū)域等。同時(shí)，根據(jù)不同部件的尺寸和形狀特點(diǎn)，選擇合適的網(wǎng)格單元類型，為了方便計(jì)算，按照參數(shù)將模型簡化，所以有限元模型中中心桿、密封膠碗、鋼內(nèi)套均采用Solid186單元進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧?/p>

（4）邊界條件的確立。為了模擬中心桿與密封膠碗的分離行為，對空心圓筒兩端面施加軸向（z向）約束，對空心圓筒外壁施加10MPa的向內(nèi)壓力，對圓柱體兩端面施加5m的軸向（z向）位移載荷。空心圓筒與圓柱的接觸采取通用接觸，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》金屬與金屬的接觸面摩擦因數(shù)采用0.15，橡膠與金屬的接觸面摩擦因數(shù)采用0.5。

2.2.2仿真模擬

（1）針對中心桿尾部開槽設(shè)計(jì)的模擬仿真，在仿真軟件中模擬節(jié)流器在油管內(nèi)的打撈過程，分別對傳統(tǒng)井下節(jié)流器和中心桿尾部開槽的改進(jìn)型節(jié)流器進(jìn)行分析，如圖3所示。

從圖3中可以看出，設(shè)定中心桿上提的過程中其外壁所承受的拉力保持不變，在此情境下，中心桿外壁與密封膠碗之間因相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，為量化這一摩擦效應(yīng)，計(jì)算了密封膠碗與中心桿外壁之間的摩擦應(yīng)力，以及中心桿的軸向（即z向）應(yīng)力。由于摩擦應(yīng)力的大小僅取決于接觸面的壓力分布與摩擦系數(shù)，而在給定空心圓筒外壁壓力為定值的情況下，傳統(tǒng)井下節(jié)流器和中心桿尾部開槽的改進(jìn)型節(jié)流器在接觸面摩擦應(yīng)力分布上的差異主要體現(xiàn)在：開槽區(qū)域幾乎不產(chǎn)生摩擦應(yīng)力，從而導(dǎo)致總摩擦力有所降低，然而，這一差異在摩擦應(yīng)力云圖中并不直觀顯現(xiàn)。由此，進(jìn)一步計(jì)算了中心桿的軸向（z向）應(yīng)力，其中，中心桿兩端面的軸向（z向）應(yīng)力值反映了為克服摩擦而使中心桿運(yùn)動(dòng)所需的最小拉力，該拉力值可間接反映接觸面摩擦力的大小。

對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的節(jié)流器由于中心桿尾部開槽設(shè)計(jì)，在相同工況下，兩端面的軸向（z向）最大應(yīng)力大小由19.1MPa降低至17.1MPa，降低了10.5%，即代表密封膠碗與中心桿外壁之間的摩擦阻力降低10.5%，因打撈器使中心桿向下運(yùn)動(dòng)，密封膠碗在自身的彈力作用下回縮，降低皮碗與油管內(nèi)壁的摩擦，所以中心桿開槽設(shè)計(jì)能夠有效地改善井下節(jié)流器的打撈性能。

（2）針對上皮碗內(nèi)部鋼內(nèi)套及卡簧設(shè)計(jì)的模擬仿真。節(jié)流器上皮碗在打撈時(shí)由于摩擦力導(dǎo)致其向下運(yùn)動(dòng)，使上皮碗像楔子一樣緊緊地楔進(jìn)下皮碗的空隙內(nèi)，兩個(gè)皮碗連成一體導(dǎo)致皮碗與中心桿摩擦力驟增。而上皮碗內(nèi)部的鋼內(nèi)套及卡簧設(shè)計(jì)使上皮碗在受到摩擦力的作用時(shí)不再向下運(yùn)動(dòng)保留了兩個(gè)皮碗之間的空隙。

在仿真分析中，計(jì)算密封膠碗與中心桿外壁間的摩擦應(yīng)力。針對無鋼內(nèi)套及卡簧設(shè)計(jì)的工況，選取兩皮碗貼緊緊密貼合的狀態(tài)作為分析對象，該狀態(tài)與先前分析的未開槽傳統(tǒng)井下節(jié)流器的工況相似。并采用了相同的模型構(gòu)建方法。而對于包含鋼內(nèi)套及卡簧設(shè)計(jì)的工況，選取上下皮碗初始位置作為分析基準(zhǔn)，即考慮在上提過程中，上皮碗因卡簧的限制作用而未因摩擦力發(fā)生下移。仿真結(jié)果顯示，傳統(tǒng)井下節(jié)流器中心桿在打撈過程中所承受的摩擦應(yīng)力最大值為6.30MPa左右，而經(jīng)過改進(jìn)后的節(jié)流器所受的摩擦應(yīng)力最大值達(dá)到了13.97MPa左右，顯著超過了改進(jìn)前的水平。

深入分析發(fā)現(xiàn)，皮碗的錐形結(jié)構(gòu)在模型邊緣引發(fā)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，排除了這一區(qū)域的數(shù)據(jù)。在忽略應(yīng)力集中區(qū)域后，中心桿所受摩擦應(yīng)力的最大值約為6.61MPa。然而，值得注意的是，在改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)中，上下皮碗間隙處未觀察到摩擦應(yīng)力的存在，該區(qū)域約占中心桿外壁總面積的25%。據(jù)此推斷，改進(jìn)后的密封膠碗與中心桿外壁間的摩擦阻力降低了約25%，充分證明了鋼內(nèi)套及卡簧設(shè)計(jì)的有效性，顯著優(yōu)化了打撈性能，具體而言，改進(jìn)后的節(jié)流器，由于鋼內(nèi)套的支撐作用，密封上皮碗的變形得到有效控制，進(jìn)而使得密封面的接觸壓力分布更為均勻。

（3）針對卡瓦座封性能模擬仿真。在投放過程中，觀察卡瓦在釋放卡簧作用下與油管內(nèi)壁的接觸情況，確保卡瓦不與油管內(nèi)壁發(fā)生磨損。當(dāng)模擬到節(jié)流器下放到設(shè)計(jì)深度并快速上提時(shí)，分析卡瓦的釋放過程和座封效果。模擬結(jié)果顯示，在投放過程中，傳統(tǒng)卡瓦容易與油管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，磨損量達(dá)到1%～3%。而改進(jìn)后的卡瓦在釋放卡簧的作用下，與油管內(nèi)壁無接觸，避免了磨損。在座封過程中，改進(jìn)后的卡瓦能夠順利釋放并均勻地座封在油管內(nèi)壁上，座封力達(dá)到300kg，滿足設(shè)計(jì)要求，且座封穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)卡瓦結(jié)構(gòu)。

井下節(jié)流器仿真結(jié)果表明，中心桿尾部開槽設(shè)計(jì)、密封上皮碗內(nèi)部鋼內(nèi)套與卡簧設(shè)計(jì)、卡瓦上增加釋放卡簧設(shè)計(jì)均有效地改善了井下節(jié)流器的性能，提高了耐二氧化碳節(jié)流器易投撈性能。同時(shí)，為井下節(jié)流器的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考依據(jù)，有助于推動(dòng)井下節(jié)流器技術(shù)的不斷發(fā)展。在未來的研究中，將結(jié)合實(shí)際井下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善，使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際工況，為井下節(jié)流器的工程應(yīng)用提供更精準(zhǔn)的指導(dǎo)。

（4）井下節(jié)流器材質(zhì)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。井下節(jié)流器金屬零件均換成了不銹鋼材質(zhì)，根據(jù)現(xiàn)場提供的試驗(yàn)介質(zhì)，將材料浸泡后按規(guī)定處理后稱其失重來計(jì)算腐蝕速率。試驗(yàn)72h后取出試件，試件中除了不銹鋼材質(zhì)以外，其他材質(zhì)試件均有不同程度的腐蝕。所以，井下節(jié)流器采用不銹鋼材質(zhì)，以提高其防腐蝕性能。

3結(jié)論建議

（1）基于室內(nèi)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，篩選的氫化丁腈橡膠作為基礎(chǔ)橡膠材料，結(jié)合二氧化碳的侵蝕特性，進(jìn)一步加入了炭黑和其他填料，形成了新的橡膠配方，通過在試驗(yàn)井中反復(fù)試驗(yàn)，證實(shí)改性氫化丁腈橡膠密封件在井筒高溫高壓高侵蝕的情況下具有良好的耐侵蝕性能，這標(biāo)志著新型耐二氧化碳橡膠初步研發(fā)成功。同時(shí)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的井下節(jié)流器經(jīng)過室內(nèi)反復(fù)投撈模擬測試，基本滿足了侵蝕環(huán)境下的易投撈要求。現(xiàn)場選擇含二氧化碳30%的X1井作為試驗(yàn)井，在鋼絲投放下井過程順利無卡頓，試驗(yàn)井投產(chǎn)后該井正常生產(chǎn)120d，充分驗(yàn)證了其能夠滿足當(dāng)前凝析氣井的生產(chǎn)需求。基于二氧化碳侵蝕機(jī)理的橡膠力學(xué)性能的材料優(yōu)選，同樣適應(yīng)于石油行業(yè)其他專業(yè)的井下工具強(qiáng)化研究，為國內(nèi)耐二氧化碳工具的研制和改進(jìn)提供了思路。

（2）橡膠密封元件在現(xiàn)場應(yīng)用中的失效模式呈現(xiàn)出多樣性。因此，針對橡膠密封件在井筒中的具體工況進(jìn)行詳盡的分析并制定相應(yīng)策略。耐二氧化碳的井下節(jié)流器生產(chǎn)參數(shù)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，同時(shí)，井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)與橡膠材料的性能、氣井生產(chǎn)參數(shù)等之間的定量關(guān)系也有待進(jìn)一步的研究。

（3）未來將根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況繼續(xù)優(yōu)化耐二氧化碳井下節(jié)流器的各種參數(shù)，包括橡膠密封件材料的配方及氣井的生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化等。該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用為凝析氣井的低成本開采提供了一項(xiàng)有效的技術(shù)措施。為長期、穩(wěn)定、高效、低成本的生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。