长行程管柱补偿器的研制与应用

2017-10-11，，，，

石油矿场机械 2017年5期

关键词：内管补偿器管柱

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(冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山 063004)

长行程管柱补偿器的研制与应用

肖国华，黄晓蒙，王金忠，王瑶，郝夏蓉

(冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山 063004)

现有的管柱补偿器存在下井过程中受到尾管重力的影响提前启动、补偿距离短、不能全程传递转矩等问题。研制了长行程管柱补偿器。该管柱补偿器主要由启动部分、补偿密封部分组成。采用液压开启，根据管柱的伸长或缩短量自动补偿；启动保护结构有效解决了提前启动的难题；通过改进补偿密封机构，增大了补偿距离；设计滑块机构，全程传递转矩。现场应用情况表明，该管柱补偿器成功率达100%，有效减少管柱蠕动，延长封隔器等井下工具使用寿命，减少作业工作量。

管柱；补偿器；结构；试验

Abstract：Due to existing string compensators incur the following problems such as easy pre-starting influenced by liner weight during getting into well，with short telescopic compensation distance and difficult transmitting torque，and a long-stroke string compensator was developed.The compensator is composed of starting part and compensation sealing part.Started by hydraulic pressure，the compensator can expand or contract automatically according to the length variation of the pipe string.Protection mechanism designed in starting part to avoid early start and compensation sealing mechanism improved to increase the compensation distance.Meanwhile，slider mechanism designed for transmission torque in full range.Field scale application show that success rate of telescopic compensation is 100%.So it can effectively eliminate the creep of the string，prolong the service life of the downhole tools，such as packer，as well as reduce the work of operation.

Keywords：pipe string；compensator；structure；test

冀东油田南堡陆地深层低渗透油藏具有埋藏深、储层物性差、天然能量弱等特点，注水井存在吸水能力低、启动压力高等问题，对注水管柱的耐压性能要求较高。在满足注水压力要求的同时，还要考虑管柱的蠕动问题。因受注水温度、压力及工作状态变化影响较大，原有管柱补偿器的补偿距离短、下管过程易提前开启等缺点，不能有效解决管柱的蠕动问题[1-10]，使注水封隔器提前失效及锚定器自动解卡，导致分层注水失效。

为解决以上难题，研制了管柱补偿器。该工具耐温150 ℃，耐压差50 MPa，具有液压开启、自动补偿距离长等优点，能够有效补偿井下管柱的伸长或缩短，减少管柱因地层温度和压力变化造成的管柱蠕动，解决了封隔器提前失效等问题，有效延长了管柱的使用寿命，在高温高压采油、高压注水、分层压裂等领域应用广泛。

1 结构及工作原理

管柱补偿器主要由启动部分、补偿密封部分组成，结构如图1所示。其中，启动部分主要由弹簧爪、销钉和锁套部分组成；补偿密封部分主要由凹支撑环、耐磨密封环和凸支撑环组成。

1—上接头；2—外管；3—密封圈；4—压帽；5—凹支撑环；6—耐磨密封环；7—凸支撑环；8—内管；9—滑套；10—滑块；11—弹簧爪；12—销钉；13—锁套；14—支撑套；15—活塞套；16—活塞；17—下接头。图1 管柱补偿器结构示意

管柱补偿器外管通过螺纹与上接头和弹簧爪连接，内管下端通过螺纹与活塞套、锁套及下接头相连。弹簧爪插入锁套，和支撑套之间锁紧并用剪钉与支撑套固定。井口加压，液压从管柱补偿器内管的传压孔传递到活塞，推动活塞上行。当油管加压至20 MPa时，剪钉剪断，支撑套上行，弹簧爪径向回缩解锁，内管与外管产生轴向相对运动，此时管柱补偿器启动。当管柱收缩时，管柱补偿器在张力作用下内外管发生相对运动而工作，从而起到自动补偿管柱伸缩量作用。

2 主要技术特点及参数

1) 液压开启，消除坐封压力和尾管重力的影响。

2) 补偿距离长，适应范围广。

3) 采用高温高压耐磨组合密封件，密封效果好、寿命长。

4) 全程传递转矩，满足旋转作业施工需要。

管柱补偿器的主要技术参数如表1。

表1 管柱补偿器主要技术参数

3 结构设计特点

1) 液压启动结构独立设计，弹簧爪插入锁套并与支撑套之间锁紧，下井过程中尾管重力通过锁套作用在外管上，剪钉不受力，故不会提前启动。当封隔器等工具坐封后，提高压力推动活塞上行，剪断销钉，弹簧爪与锁套脱离，启动补偿。

2) 全程转矩传递及长补偿距离设计，外管与滑套紧连，内管外全程设计滑槽，滑块安装在滑套孔槽和内管滑槽内，使得内管与外管径向固定，不能发生相对转动，便于旋转上紧油管和后期倒扣打捞。因为是滑块在槽内滑动，因此便于增加外管和内管的长度，可以根据需要增加补偿距离。

3) 补偿密封部分采用多组高分子复合密封材料，耐高温高压，耐磨性好、寿命长。

4 室内试验

为了检验管柱补偿器启动压力、耐温耐压性能和传递转矩性能等各项性能和技术指标，进行了室内试验。具体试验步骤如下：

1) 启动和传递转矩性能试验。将管柱补偿器上端固定在试验台上，上端连接试压泵，下端连接丝堵，试验流程连接如图2所示。由试压泵缓慢加压，直至销钉剪断，记录此时的启动压力。继续加压至管柱补偿器伸长1.5 m后停止，在管柱补偿器下端加转矩3 200 N·m，验证转矩传递能力。若管柱补偿器上接头无转动，说明传递转矩。继续加压，管柱补偿器继续伸长，直至管柱补偿器长度不再变化，测量此时伸缩距离。在管柱补偿器下端加转矩3 200 N·m，继续验证转矩传递能力。

图2 常温地面试验流程示意

2) 耐温耐压性能试验。将管柱补偿器在地面装配好，下端连接丝堵，放置于139.7 mm(5英寸)油浸罐试验罐中，固定好井口，试验流程连接如图3所示。常温下加压20 MPa启动管柱补偿器，稳压15 min后泄压。井筒加温至150 ℃，循环480 min至井筒内温度稳定。内管缓慢加压至50 MPa(外部放空)，稳压15 min若压力不降，说明耐压合格。

3) 试验结果。管柱补偿器室内试验数据如表2。

由表2看出，管柱补偿器启动压力达到20 MPa，耐温耐压试验显示其工作温度150 ℃，工作压差可达50 MPa，补偿距离3 m，可传递转矩。综合各项试验数据，管柱补偿器各项技术指标均达到了设计要求。