自動坐封井口堵塞器的研制及其評價試驗

PingEnshun，Wang Yuzhong，Ren Baoliang，etal.Development and evaluation testof automatic-seting wellheadplug[J].ChinaPetroleumMachinery，2025，53（7）：136-140.

Development and Evaluation Test of Automatic-Setting Wellhead Plug

Ping Enshun1Wang Yuzhong'Ren Baoliang1 Zhao Lei’Li Di2Huang Feng1 Shao Junlong' （1.BHDC Dounhole Technology ServiceCompany;2.No.2Oil ProductionPlant，PetroChina Dagang Oilfield Company

Abstract： The wellhead device is prone to washout in the process of slug sand fracturing or blowing while production，which makes it impossible toaddress the risk of wellcontrol intime，thus imposing aserious potential safety hazard.An innovative automatic-seting wellhead plugand supporting hydraulic fishing tool were developed. In this paper，the main structures，working principles，main technical performance parameters and features of the deviceand tol were introduced，and thelaboratory performance evaluation test was performedon the physical prototypeof the automatic-seting wellhead plug.The test results show that under the15 MPawellore pressure，the stop pinof the automatic-setting wellhead plug is pulled toalowthe plug tofall into the wellbore freely， so as to realize automatic release and delayautomatic setting，and meet the requirement of sealing at 5O MPa.The hydraulic fishing toolcan beused to pressurize1O MPa torealize automatic unsealing and pressure relieffor equilibrium before the wellhead plug issafelylifted.The developed plug and tool are ready for field testing，and they have been proved effectiveforaddressing the problem of wellhead washout ina short time.Thus，the plug and tool are prospective for popularization and application.

Keywords： wellhead washout；automatic-seting；wellhead plug; hydraulic fishing tool; performance evaluation test

0 引言

隨著國內(nèi)頁巖油氣大規(guī)模的勘探開發(fā)，橋塞射孔聯(lián)作體積壓裂技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。由于體積壓裂現(xiàn)場施工具有大排量、大液量、大砂量、壓力高、施工時間長等特點，壓裂施工高壓流體段塞加砂或生產(chǎn)放噴過程中夾帶砂體顆粒，對壓裂井口裝置閥板、閥座以及法蘭連接處鋼圈或鋼圈槽的沖蝕磨損[1]，極易出現(xiàn)井口刺漏的情況[2]，造成井控險情的發(fā)生。近年來，壓裂施工過程中出現(xiàn)了較多因壓裂井口裝置刺漏而造成井控險情的實例。例如寧 X₁ 井1號閘門刺漏事件，寧 X₂ 井側(cè)翼閥刺漏事件和江 X₃ 井2號閘門和5號閘門之間刺漏事件等。通常壓裂井口裝置發(fā)生刺漏，需要用電纜或連續(xù)管帶壓下入實心橋塞，坐封橋塞并驗封合格后，實施更換或搶修壓裂井口裝置的施工作業(yè)。另外采用高密度壓井液壓井[3-4]，容易造成儲層污染，堵塞油氣流通通道，降低油氣產(chǎn)能。2種工藝施工周期較長，作業(yè)成本較高[5，而且無法在短時間內(nèi)及時解決井口刺漏問題，存在嚴(yán)重的井控風(fēng)險。

古小紅等研究形成了“兩封堵一隔離”帶壓更換采氣樹工藝。李長忠等7采用液壓方式控制堵塞器封堵井口，實現(xiàn)采油氣井口帶壓不壓井換閥作業(yè)。王玉忠等8研制油管堵塞器、打撈筒以及配套的液壓缸和防噴管等工具設(shè)備，形成了帶壓更換采油樹技術(shù)。高廣啟研制了一種自坐封式油管堵塞器，有效解決了不壓井作業(yè)結(jié)垢、結(jié)蠟管柱的封堵問題。還有其他研究人員主要應(yīng)用井口液壓裝置[10-13]、鋼絲作業(yè)[14-15]等投送堵塞器，坐封堵塞器，較少利用壓裂后期井筒高壓這一可用資源實現(xiàn)堵塞器的自動坐封。鑒于此，筆者研制了一種自動坐封井口堵塞器，從井口自由落體落入井筒內(nèi)，不僅具有依靠井筒壓力實現(xiàn)自動坐封，而且具有緩慢延時坐封功能，并可泄壓平衡安全打撈，可在短時間內(nèi)及時解決井口刺漏問題，避免井控險情的加劇，同時縮短了施工周期，降低了作業(yè)成本，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1自動坐封井口堵塞器的研制

1. 1 堵塞器結(jié)構(gòu)

自動坐封井口堵塞器是一種通過井筒壓力自動坐封，下入打撈工具加壓自動解封的井筒封隔工具，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用井筒內(nèi)流體壓力和常壓空氣腔營造高低壓區(qū)域，實現(xiàn)元件的相對位移，具有自動坐封、加壓自動解封、承壓高、安全可靠等特點。其中，卡瓦錨定機構(gòu)主要由下活塞、錐體、卡瓦、卡瓦座和剪切銷釘?shù)冉M成；自動坐封機構(gòu)主要由液壓開關(guān)閥、中心管、上活塞、膠筒、隔環(huán)和承壓塊等組成；加壓自動解封機構(gòu)主要由打撈工具、鎖塊、擋銷桿和導(dǎo)錐等組成。

配套的液壓打撈工具主要由上接頭、外筒、卡瓦、平鍵、限位套、活塞桿和O形密封圈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。下入打撈工具，通過加壓實現(xiàn)工具內(nèi)部泄壓平衡，利用液壓開關(guān)閥和鎖塊的相對位移，實現(xiàn)自動坐封井口堵塞器的自動解封。

1.2 工作原理

1.2.1丟手工作原理

井口釋放裝置如圖3所示。自動坐封井口堵塞器上端通過鋼絲置于井口釋放裝置內(nèi)，向下拉動控制擋銷，堵塞器受重力作用自由落體落入井筒內(nèi)。由于慣性作用，達(dá)到鋼絲預(yù)定長度后堵塞器產(chǎn)生急停效應(yīng)，在反作用力作用下，鋼絲產(chǎn)生突然的上拽力，帶動液壓開關(guān)閥由中心管起初位置運動至上端限位位置，剪斷銅銷釘，實現(xiàn)鋼絲與堵塞器之間的丟手。

1.2.2 自動坐封工作原理

當(dāng)井筒內(nèi)存在 15MPa 高壓流體的條件下，液壓開關(guān)閥處于中心管上端限位位置時，并筒內(nèi)高壓流體通過導(dǎo)錐過液孔流入擋銷桿，至液壓開關(guān)閥內(nèi)部，沿液壓開關(guān)閥徑向過液孔流入液壓開關(guān)閥和中心管的環(huán)空區(qū)域，并在限流作用下緩慢流入液壓開關(guān)閥與中心管的上端環(huán)空區(qū)域。高壓流體沿上端徑向中心管過液孔流入下活塞內(nèi)，推動下活塞向右移動。高壓液體一方面向右推動下活塞，壓縮缸內(nèi)空氣，向右推動錐體撐開卡瓦實現(xiàn)錨定，保證卡瓦先錨定套管內(nèi)壁后再剪斷銷釘；高壓液體另一方面進(jìn)入上活塞，向左推動上活塞，帶動中心管、承壓塊向左移動，向左擠壓膠筒實現(xiàn)自動坐封。

液壓開關(guān)閥與中心管之間的環(huán)空，流人液壓打撈工具內(nèi)部，通過打撈工具上設(shè)置的泄壓孔泄壓平衡工具內(nèi)壓力。工具內(nèi)部沒有壓差后，膠筒回彈，實現(xiàn)自動解封。之后上提打撈工具，撈出自動坐封井口堵塞器。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

研制的自動坐封井口堵塞器最大外徑 114mm ，最小內(nèi)徑 73mm ，總長度 1416mm ，坐封壓力15MPa ，最高耐壓差 50MPa ，最高工作溫度 150°C 。

配套的自動坐封井口堵塞器液壓打撈工具最大外徑 114mm ，最小內(nèi)徑 20mm ，總長度335mm ，解封壓力 10MPa ，最高工作壓力 50MPa ，最高工作溫度 150°C 。

1.4性能特點

（1）工具內(nèi)部設(shè)置有節(jié)流通道，保證自動坐封堵塞器自由落體至井筒內(nèi)，避免在井口之上坐封。（2）設(shè)計先卡瓦錨定，再膠筒坐封的結(jié)構(gòu)，保證堵塞器至井筒內(nèi)預(yù)定位置先定位，后坐封。（3）通過井筒內(nèi)高壓流體作用實現(xiàn)堵塞器的自動坐封，無需任何加壓坐封措施。（4）下入液壓打撈工具，通過液壓使工具內(nèi)部先泄壓平衡，再起出打撈工具。（5）設(shè)計自動解封結(jié)構(gòu)，通過膠筒回彈，實現(xiàn)自動解封。

1.2.3加壓自動解封和打撈工作原理

通過液壓裝置底部帶液壓打撈工具下至井筒內(nèi)堵塞器遇阻位置，加壓撈住堵塞器上接頭。通過地面泵向液壓裝置加壓，高壓流體一方面通過活塞桿中心孔和限位套過液孔流入液壓打撈工具內(nèi)部，推動活塞桿下端小活塞向下移動；另一方面，高壓流體推動活塞桿上端大活塞向下移動，在雙級活塞作用下，活塞桿向下移動，推動堵塞器液壓開關(guān)閥向下移動，帶動擋銷桿剪斷銅銷釘，直至活塞桿移動到限位套上端限位位置，露出活塞桿上端的泄壓孔。也即是，堵塞器液壓開關(guān)閥向下移動至下端限位位置，井筒內(nèi)高壓流體流經(jīng)

2 性能評價試驗

自動坐封井口堵塞器、液壓打撈工具及試驗裝置試制加工后，對堵塞器物理樣機進(jìn)行室內(nèi)丟手、自動坐封、反向承壓以及加壓自動解封和安全打撈性能評價試驗，以檢驗其是否滿足設(shè)計要求。

2.1 試驗條件

試驗設(shè)備：自動坐封井口堵塞器、配套打撈工具、 _δ73.0mm 油管短節(jié)、試壓泵、壓力表、配套管線、液壓裝置及 o139.7mm （ 5% in）模擬井筒試驗裝置，內(nèi)徑 121mm 。試驗溫度為室溫。

2.2 試驗步驟

（1）組裝模擬井筒試驗裝置，將堵塞器上端通過鋼絲連接置于井口釋放裝置內(nèi)部，并與試驗裝置裝配，連接好試壓泵及配套管線，將模擬井筒試驗裝置呈豎直狀態(tài)。

（2）通過試壓泵對試驗裝置反向加壓 15MPa 打開井口釋放裝置泄壓孔模擬井口刺漏現(xiàn)象，向下拉動控制擋銷，進(jìn)行丟手性能試驗和自動坐封性能試驗。

（3）將模擬井筒試驗裝置呈水平狀態(tài)，拆卸井口釋放機構(gòu)，使堵塞器以上井筒部分完全泄壓，如圖4所示。

（4）反向逐步加壓20、30、40和 50MPa ，穩(wěn)壓 30min ，驗證自動坐封性能試驗，并進(jìn)行反向承壓性能試驗，觀察堵塞器密封情況，是否泄漏。

（5）完全泄壓后，旋開模擬井筒試驗裝置泄壓孔，通過液壓裝置下入液壓打撈工具，地面加壓 10MPa ，穩(wěn)壓 5min ，進(jìn)行自動解封和安全打撈性能試驗，觀察試驗裝置是否泄漏，堵塞器上下是否連通。

（6）地面泵加壓 10MPa ，通過液壓裝置起出液壓打撈工具，拆卸工具。

2.3 試驗結(jié)果

（1）丟手試驗：在井筒壓力 15MPa 壓力條件下，拉動控制擋銷，自動坐封井口堵塞器自由落體順利落入井筒內(nèi)，拆卸井口釋放機構(gòu)時觀察到鋼絲與堵塞器之間已實現(xiàn)丟手。

（2）反向加壓試驗：反向加壓至 35MPa ，穩(wěn)壓 15min ，壓降小于 0.7MPa ，驗證了之前模擬井筒試驗裝置在 15MPa 條件下堵塞器已經(jīng)自動坐封。

（3）最高反向加壓至 50MPa （見圖5），穩(wěn)壓15min ，壓降小于 0.7MPa ，驗證了自封堵塞器最高耐壓差 50MPa 。

（4）加壓自動解封和安全打撈試驗：加壓10MPa ，穩(wěn)壓 5min ，壓降小于 0.7MPa ，液壓裝置提拉上行，安全起出自動坐封井口堵塞器后，膠筒有輕微破損，錐體、卡瓦完好，如圖6所示。

（5）通過對自動坐封井口堵塞器、打撈工具物理樣機進(jìn)行室內(nèi)丟手、自動坐封、反向承壓以及自動解封和安全打撈性能評價試驗，結(jié)果表明：堵塞器在 15MPa 井筒壓力條件下可以自動坐封，且坐封穩(wěn)定可靠，最高能滿足 50MPa 承壓密封性能要求。研制的自動坐封井口堵塞器滿足各項技術(shù)指標(biāo)，具備現(xiàn)場試驗條件。

3 結(jié)論及建議

（1）研制的自動坐封井口堵塞器在 15MPa 井筒壓力條件下可以自動坐封，最高能滿足 50MPa 承壓密封性能要求，具備現(xiàn)場試驗條件。（2）研制的自動坐封井口堵塞器通過打撈工具加壓，保證工具內(nèi)部先泄壓平衡，沒有壓差后，膠筒回彈實現(xiàn)自動解封，之后可以安全起出工具。（3）隨著井下作業(yè)工具智能化的發(fā)展，建議開展智能自動坐封井口堵塞器的研究，實現(xiàn)井口堵塞器的自動化和智能化，增強工具的綜合應(yīng)用性能。

參考文獻(xiàn)

[1]李志龍．不壓井換閥采氣井口的開發(fā)與應(yīng)用[J]．石油機械，2008，36（12）：51-53，66.LIZL. Development and application of non-well-killingvalve-replacing gas production wellhead[J]. China Petro-leumMachinery，2008，36（12）：51-53，66.

[2]張弘，袁光杰，李國韜，等．氣井油套管泄漏流場的數(shù)值模擬研究［J]．石油機械，2020，48（12）：123-129.ZHANGH，YUANGJ，LIGT，etal.Numerical simu-wells[J]．China Petroleum Machinery，2020，48（12）：123-129.

[3]田玉琛，謝平，陳磊，等．利用可撈式油管橋塞不壓井更換井口閘門技術(shù)[J]．?dāng)鄩K油氣田，2009，16（4）：118-120.TIANY C，XIEP，CHEN L，et al.Changing valvethrough fishable pipe bridge plug without killing well[J].Fault -Block Oil andGasField，2009，16（4）：118-120.

[4］魏文科，宋宏宇．不壓井作業(yè)技術(shù)在慶深氣田高壓氣井中的應(yīng)用：以徐深1-1井為例[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（19）：4776-4780.WEIWK，SONG HY.Application of snubbing technol-ogy in high pressure gas wellin Qingshen gas field：illus-trating by the case of well Xushen1-1[J].Science Tech-nologyand Engineering，2012，12（19）：4776-4780.

[5］尚萬寧，田建峰，楊東．不壓井更換閘閥技術(shù)在氣井維護中的應(yīng)用[J]．天然氣工業(yè)，2006，26（1）：98-100.SHANG W N，TIAN JF，YANG D.Application ofvalve replacement technology without well killing in gaswell maintenance[J].Natural Gas Industry，2O06，26（1）：98-100.

[6］古小紅，李順林，耿波，等．普光氣田高含硫氣井帶壓更換采氣樹工藝技術(shù)[J]．天然氣工業(yè)，2015，35（1）：92-96.GU X H，LI SL，GENG B，et al.A technology inreplacing Christmas tree under pressure for high sour gaswells in the Puguang gas field，Sichuan basin[J].Natu-ral GasIndustry，2015，35（1）：92-96.

[7]李長忠，馬發(fā)明，馬駿，等．采油（氣）井口主控閥安全更換技術(shù)[J]．鉆采工藝，2010，33（1）：108-109.LICZ，MAFM，MAJ，etal.Safetyreplace technol-ogy of wellhead master control valve[J].Drillingamp; Pro-duction Technology，2010，33（1）：108-109.

[8］王玉忠，馬金良，黃德輝，等．帶壓更換采油樹技術(shù)[J]．石油鉆探技術(shù)，2016，44（1）：101-104.WANG Y Z，MA JL，HUANG D H，et al. The technologyof replacing Christmas trees under pressure[J]. PetroleumDrilling Techniques，2016，44（1）：101-104.

[9］高廣啟．自坐封式油管堵塞器的研究及應(yīng)用[J]．石油機械，2014，42（5）：88-90.GAO G Q. Research and application of self-setting tubingplug[J].ChinaPetroleumMachinery，2014，42（5）：

88-90.

[10］李蓮明，譚中國，龍運輝，等．帶壓更換天然氣井口采氣樹主控制閥新技術(shù)[J]．鉆采工藝，2007，30（3）：93-95.LILM，TANZG，LONGYH，etal.A new technol-ogy of replacing the master valves of gas wells Christmastreewith pressure[J].Drillingamp; Production Technol-ogy，2007，30（3）：93-95.

[11］伏健，王永康，李文霞，等．充氣式油管堵塞器設(shè)計與應(yīng)用[J]．石油機械，2013，41（11）：122-123.FU J，WANG Y K，LI W X，et al. Design and applica-tionof pneumatic tubing plug［J].China PetroleumMachinery，2013，41（11）：122-123.

[12］李天興，段文立，于強．DSQ-A、B型油管堵塞器的研制與應(yīng)用[J]．石油機械，2010，38（1）：51-53.LI TX，DUAN WL，YU Q. Development and applica-tionof DSQ-A B tubing plug［J].China PetroleumMachinery，2010，38（1）：51-53.

[13］黃輝建．電控油管堵塞器的研制與應(yīng)用[J]．石油機械，2020，48（11）：107-110.HUANG H J.Development and application of electriccontrol tubing plug[J].China Petroleum Machinery，2020，48（11）：107-110.

[14］文成槐，尹強，文蜀江．帶壓安全更換井口閘閥技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]．鉆采工藝，2002，25（2）：49-52.WEN C H，YINQ，WEN SJ.Research and applica-tion of technology of replacement wellhead control valvewithpressure[J].Drilling amp; Production Technology，2002，25（2）：49-52.

[15]王瑋．不壓井作業(yè)油管堵塞器研制[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2016（5）：154-155.WANG W.Development of plug Tool in no-killing operation[J].Science Technology and Engineering，2016（5）：154-155.

第一

作者簡介：平恩順，高級工程師，生于1986年，2015年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油氣田儲層增產(chǎn)措施改造方面的研究工作。地址：（300283）天津市濱海新區(qū)。電話：（022）25931854。email：pingenshun@163.com。

收稿日期：2024-07-22 修改稿收到日期：2024-12-26（本文編輯南麗華）