自锁式封隔管柱的设计与应用

刘成贵尚玉星王海龙吐尔逊江·吐尔地董乔云（.新疆油田公司准东采油厂井下技术作业公司， 新疆阜康 85；.新疆油田公司陆梁油田作业区， 新疆克拉玛依 840000；.鑫源石化机械有限公司， 江苏盐城 4400）

引用格式：刘成贵，尚玉星，王海龙，等.自锁式封隔管柱的设计与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（5）：109-112.

自锁式封隔管柱的设计与应用

刘成贵1尚玉星2王海龙1吐尔逊江·吐尔地1董乔云3（1.新疆油田公司准东采油厂井下技术作业公司， 新疆阜康 831511；2.新疆油田公司陆梁油田作业区， 新疆克拉玛依 840000；3.鑫源石化机械有限公司， 江苏盐城 224400）

引用格式：刘成贵，尚玉星，王海龙，等.自锁式封隔管柱的设计与应用［J］.石油钻采工艺，2015，37（5）：109-112.

摘要：Y221封隔器广泛地应用在隔抽管柱上，但常规Y221封隔器坐封后，在压重作用下，封隔器以上的油管、泵筒会在轴向上弯曲变形，加剧管杆偏磨，增加抽油机负荷，针对此现象，研制了一种自锁式Y221封隔器。阐述了该种封隔器的工作原理，并且针对封隔器胶筒的合理压重，对封隔器卡瓦的锚定力进行了校验，对解封负荷进行了计算。此外，还设计了配套的自锁式Y221封隔器的坐封工具，使得卸载压重后，封隔器既不解封，油管挂还能顺利坐入井口，实现管柱的入井回接。由于在封隔器内部增加了自锁机构及双级解封机构，封隔器坐封后，当释放掉压重时，封隔器依然能够保持坐封状态，封隔器上部管柱处于自由状态，从而减少了抽油杆的上下行摩阻及抽油机负荷。但该管柱在自锁方面有其局限性，即虽然可多次坐封，但只能第1次坐封后可以自锁，再次坐封后不能自锁。

关键词：自锁Y221封隔器； 隔抽管柱；管杆偏磨； 释放压重；节能降耗

针对复杂的油井出水情况，隔水抽油管柱成为油田主要的稳油控水手段之一。目前彩南油田应用的隔抽管柱主要有以“Y221封隔器+杆式泵工作筒+洗井阀”为代表的非丢手管柱和以“单向阀+Y221封隔器+安全短节+Y455桥塞” 为代表的丢手管柱。非丢手管柱相对丢手管柱的主要优点是操作简单、不存在后期作业时再打捞丢手管柱的问题。但是常规Y221封隔器胶筒的胀封必须依靠管柱的压重（悬重与视重差）来实现。在封隔器与泵之间距离较小和压重作用下，封隔器以上的油管、泵筒及附件在轴向上的压缩力会使管柱弯曲变形，地面表现为抽油机负荷超出正常范围，增加电机工作电流，井下表现为加剧管杆偏磨，造成管杆浪费。

近几年在彩南油田共计施工此类隔抽管柱103井次，抽油机负荷较大的占70%以上，超出管杆偏磨合理区间的占90%以上。针对这种情况，研制出一种自锁式Y221封隔器及其配套管柱，该隔抽管柱结构简单，且减轻了抽油机工作负荷及管杆偏磨。

1　自锁式封隔管柱

1.1 自锁Y221封隔器

1.1.1 结构 自锁Y221封隔器主要由上接头、自锁接头（带锁环）、自锁套、推力筒（上部带条形剪钉孔，内部带台阶）、胶筒管、胶筒、中心管（带台阶）、锥体、卡瓦、摩擦块、下接头、解封一级铜剪钉、解封二级铁剪钉等组成（见图1）。上接头、下接头通过螺纹连接在中心管上，自锁套通过螺纹连接在胶筒管上，支撑环、锥体通过螺纹连接在胶筒管上，上接头、推力筒通过剪钉连接。自锁接头套装在中心管上，胶筒套装在胶筒管上，卡瓦、摩擦块套装在中心管上。全部零部件装配好后，解封剪钉通过螺纹拧入上接头内，而且解封二级铁剪钉处在推力筒条形剪钉孔的下端，自锁接头处在带台阶中心管的大径处。中心管和胶筒管之间有3 mm的间隙，中心管可在胶筒管内轴向移动，卡瓦、摩擦块可在中心管外轴向移动（但局限在中心管的轨道长度内），自锁接头可在中心管外轴向移动，并可压入自锁套内实现互锁。图中第6~16部分和常规封隔器一样，不同点在其自锁部分，即第1~5和第17、18部分。

图1　 自锁式Y221封隔器

1.1.2 工作原理

（1）坐封。当地面旋转并下放管柱时，中心管也下行并旋转90º，摩擦块在套管的摩擦力作用下静止不动（此时摩擦块的换向机构已换入中心管的长轨道），继续下放管柱，上接头带动中心管继续下行，上接头推动推力筒压缩胶筒，胶筒推动锥体下行，锥体撑开卡瓦咬合到套管壁。在上接头推动推力筒的同时，也推动自锁接头下行，最后进入自锁套内，锁环和自锁套的内扣咬合互锁，完成坐封。在此过程中，上接头、自锁接头、推力筒、中心管、解封一级剪钉、解封二级剪钉等零部件保持同步移动，彼此之间没有位移。坐封后，施加在推力筒、胶筒和卡瓦的力即为坐封压重（一般为60~80 kN）。

（2）自锁。完成坐封后，因为有自锁接头的台阶压住推力筒的台阶，自锁接头又被锁在自锁套内，推力筒就一直保持压缩胶筒状态，即使将管柱悬重提起，封隔器以上的油管呈自重拉伸状态（中和点在封隔器上接头处），推力筒、胶筒和卡瓦之间的互相作用力依然为60~80 kN，封隔器胶筒依然保持胀封状态。

（3）解封。地面上提管柱，管柱带动封隔器上接头及中心管上行（在此过程中，将解封一级铜剪钉剪断），当上接头及中心管上行30 mm后，自锁接头的自锁爪移动到中心管的小径处，自锁爪对锁环的径向推力减弱。此时，解封剪钉也移动到推力筒条形剪钉孔的上端，开始对推力筒有拉力，推力筒又通过内部台阶挂到自锁接头台阶，将自锁接头从自锁套内拉出，锁环留在自锁套内，胶筒靠自身弹性回缩完成解封（见图2）。

图2　 自锁式Y221封隔器坐封前后结构对比

1.1.3 技术参数

（1）基础参数。外径/长度：115/1 300 mm；内台阶推力筒内径/长度：102/80 mm和100/215 mm；锁套内径/长度：97/115 mm；锁环内径/长度：88.9/15 mm；外台阶中心管外径/长度：65/91、60/125和65/330 mm；胶筒管外径/长度：73/300mm；坐封压力：60~80 kN，解封力：54 kN；一级铜剪钉直径：7.5 mm，二级铁剪钉直径：9.6 mm。

（2）坐封负荷校验。自锁Y221封隔器的胶筒设计为60~80 kN的压重可达到最佳坐封状态，通过对锥体、卡瓦的机械设计可保证在此压重下卡瓦有足够的锚定力，即封隔器不在套管壁打滑。计算证明如下。

设锥体的倾斜角度为α，坐封压重为G， G对卡瓦斜面的法向分力为F1，卡瓦牙对套管壁的正压力为N1，套管壁对卡瓦牙的向上摩擦力为T，卡瓦牙和套管壁的静摩擦因数为µ，则

F1= G·cosα （1）

N1= F1·sinα= G·sinα·cosα （2）

N2= F1·cosα= G·cos2α （3）

T = N1·µ =G·sinα·cosα·µ （4）

比较式（3）和式（4），只要α＞45º， N1＞N2，再提高µ的值，完全可做到T＞N2。实际设计α为75º，µ为0.6，通过计算可得出 T＞N2，即套管壁对卡瓦牙的摩擦力大于管柱对卡瓦的下压力，见图3。

图3　 坐封负荷校验

（3）解封负荷计算。自锁Y221封隔器的解封负荷为剪断一级黄铜剪钉的力，黄铜剪钉的材料为H62，直径为7.5 mm，剪切面积A为45 mm2， 黄铜剪钉的抗剪切应力τ为300 MPa，则剪断一只剪钉的拉力F分为

F分= τA=13.5 kN （5）

共有4只剪钉，则解封负荷为54 kN。

1.1.4 技术特点

（1）施工简便，坐封可靠，解封彻底，作业成本低。

（2）在常规封隔器的基础上，增加了自锁机构，封隔器坐封后，当释放掉封隔器上的压重时，封隔器依然能够保持坐封状态，封隔器上部管柱处于自由状态，从而减少了抽油杆的上下行摩阻（见图4）。

（3）解封一级剪钉、解封二级剪钉的设置使得解封更为保险，常规情况下，剪断一级铜剪钉即可解封，若还解不了封，依靠二级铁剪钉提拉自锁接头即可解封。

图4　 常规封隔器和自锁封隔器坐封后管柱状态对比图

（4）虽然可多次坐封，但自锁方面有其局限性，即只能第1次坐封后可以自锁，再次坐封后不能自锁。

1.2 自锁封隔器坐封工具

要保证给封隔器以正常压重后再卸载掉原压重（即上提原压距），还要保证油管挂能在上提原压距后刚好坐入套管四通，则井下第1根油管的接箍只能在套管四通平面以下。因为如果不在套管四通平面以下，则接好油管挂及其双公短接后，再将油管挂坐入套管四通后，对封隔器又给予了一定的压重（油管挂及其双公短接有一定长度）。但是不能用油管短接来实现这种情形，为此设计了相应的封隔器坐封工具以实现封隔器压重卸载。

该工具由接头、送进杆、卡瓦、锥体组成。卡瓦在打捞位置时可悬挂油管入井，卡瓦在释放位置可取出坐封工具，见图5，a图为工具全貌，b图为可悬挂油管入井状态，c图为可取出坐封工具状态。

图5　 封隔器坐封工具

该工具可满足以下要求：（1）本体部分能顺利通过内径为62 mm的油管内腔；（2）可安全地悬挂油管入井；（3）悬挂过程中能够完成正常的上扣、卸扣操作；（4）可退性能良好；（5）具有一定的强度。

2　现场应用

2.1 坐封压距的计算

为了确保自锁式封隔器一次坐封成功，能够自锁，坐封压距的准确计算就很重要，以Ø73 mm油管为例，坐封压距由公式（6）计算。此公式得到了多口井的检验，可准确计算出不同坐封深度的坐封压距。

ΔL=pL/2450+A+B （6）

式中，ΔL为压距，cm；p为压重，kN；L为油管深度，m；A为胶筒压距，cm；B为封隔器轨道自由行程，cm。

2.2 自封式封隔管柱坐封方法

（1）油管送进。坐封工具伸入油管内腔（油管挂套在送进杆上，以备回接油管与管挂用），上提抓牢下部油管并上提到设计高度。旋转下放送进杆，使油管整体及部分送进杆本体进入井筒，完成封隔器坐封。

（2）油管回接至油管挂。上提送进杆一定距离，使油管节箍距离四通平面以下，背钳打在送进杆上，连接油管挂与下部油管。再次下放送进杆使油管挂坐入四通，完成油管悬挂，见图6。

图6　 油管送进回接示意图

（3）退出送进杆。下击、正转送进杆，使卡瓦处于释放状态，退出井口。

（4）操作要领。完井可给封隔器以5~15 kN的较小压重（以防止在抽油过程中抽油杆柱上行使封隔器蠕动，但此压重对油管弯曲不明显），可先计算出与此较小压重（5~15 kN）相对应的完井压距，再求出开始坐封时第1根油管接箍相对四通平面的深度H。

H = 管挂长度-完井压距 （7）

从操作方面来讲， H最为直观、简便、可靠。

2.3 应用效果

自锁式Y221-115封隔器在彩南油田已投入应用3井次，施工成功率100%，施工后的主要抽油参数见表1。

从表1中可以看出，抽油机负荷较前次隔抽管柱下降10~20 kN，都在正常负荷范围。从之后的提泵作业来看，管杆偏磨现象也有明显的减轻。

表1　自锁隔抽管柱施工前后参数对比

图7 黄原胶质量分数对BV值及体系黏度的影响

3　结论

（1）自锁式隔抽管柱和常规非丢手隔抽管柱相比，既降低了抽油机的工作负荷，又减轻了隔抽管柱管杆的偏磨程度，还实现了油田电力的节能降耗，延长了检泵周期，降低了管杆报废率，对存在较多井斜变化率较大井的油田，这项技术更具有实际意义，长期累积的经济效益非常可观。

（2）自锁式封隔器的自锁机构设计合理、自锁可靠，管柱卸载压重后对封隔器的密封效果没有影响，还能有效封隔油套环空；坐封工具解决了用常规井口工具不能做到的既要下放管柱压重、又要上提管柱卸载压重这一矛盾问题。

（3）由于自锁式隔抽管柱存在只能第1次坐封后可以自锁的不足之处，这就要求第1次坐封的前期准备工作一定要做好，例如坐封位置的确定、压距的计算、坐封工具的连接等，否则，返工坐封是不能实现自锁功能的。

参考文献：

［1］ 冯波，郭勇，赵奇祥，等.轴向推进式水力油管锚定器的研制与应用［J］. 石油钻采工艺， 2014，36（6）：112-115.

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［5］ 刘占广.卡瓦式封隔器在井下的受力分析［J］.石油钻采工艺，1994，16（5）：53-59.

［6］ 赵磊.简明井下工具使用手册［M］.北京：石油工业出版社， 2004.

［7］ 刘桂林，陈伟平，高荣晓.抽油机井杆管偏磨成因分析及防治措施［J］.钻采工艺，2005，28（6）：79-81.

［8］ 范钦珊，殷雅俊.材料力学［M］.北京：清华大学出版社， 2004.

（修改稿收到日期 2015-08-08）

〔编辑 景 暖〕

Design and application of self-locking packer string

LIU Chenggui1, SHANG Yuxing2, WANG Hailong1, TURSUNJAN·Turdi1, DONG Qiaoyun3
（1. Downhole Service Company of Zhundong Oil Production Plant, Xinjiang Oilfield Company, Fukang 831511, China;
2. Luliang Field Operation District, Xinjiang Oilfield Company, Karamay 840000, China;
3. Xinyuan Petrochemical Machinery Co. Ltd., Yancheng 224400, China）

Abstract:Y221 packer is extensively used in packer string, but when conventional Y221 packer is set, the tubing and pump cylinder above the packer shall bend and deform axially under the action of weight, which exacerbates eccentric wear on tubing and rod and increases the load on pumping unit. In view of this problem, a self-locking Y221 packer has been developed. This paper sets forth the working principle of this packer and verifies the anchoring force of the packer slips in line with the proper weight of packer rubber tube and calculates the unlocking load. In addition, a setting tool for this self-locking Y221 packer has been designed, which ensures that the packer is not unlocked while the tubing hanger can successfully sit in the wellhead when the weight is removed, so the string is tied back in hole. A self-locking mechanism and duel-stage unlocking mechanism are added inside the packer, so after the packer is set and the weight is released, the packer can still stay set while the string above the packer is in a free state, hence reducing the up and down friction of the sucker rod and the load on pumping unit. However, this string has some limitation in its self-locking performance, that is, the packer can be set many times, but it can realize self-locking after it is first set and cannot self-lock after being set twice.

Key words:self-locking Y221 packer; packer pipe string; eccentric wear on tubing and rod; release of weight; saving energy and reducing consumption

作者简介：刘成贵，1973年生。1995年毕业于新疆石油学院钻井工程专业，现从事油水井修井工艺研究工作。电话：13619968369。E-mail：13619968369@qq.com。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.027

文章编号：1000 – 7393（2015）05 – 0109 – 04

文献标识码：B

中图分类号：TE358