海上油田新型机械防污染工具研究与应用

罗建伟 刘传刚 李瑞丰 王尧 王世强 张云驰

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

海上油田常用电泵采油的生产方式，检泵、换泵是最频繁的修井作业，在起管柱前通常要进行洗井，对于地层能量不足的油井，洗井时洗井液常常会漏失至地层，造成储层污染以及复产见油期延长。海上油田常规应用的机械防污染工具存在使用时间长、容易失效的风险，主要表现为注酸通道开启压力不准，在大斜度井中丢手困难等。为解决上述问题，研制了一种新型机械防污染工具，避免洗井液漏失至地层，一次下入可确保在多次洗井时有效，修井成本低［1-4]。

1 技术分析

1.1 结构原理

新型机械防污染工具与丢手工具配套使用，丢手工具结构如图1 所示。与常规的机械丢手工具相比，液压丢手作业更加简单，可适用于大斜度井和水平井。丢手工具具有扭矩传递功能，上部管柱转动时可将扭矩传递到新型机械防污染工具上，内部弹性爪不发生转动，大大降低弹性爪遇卡的风险；油管内投入钢球加压剪切销钉后，球座推动内套下移，弹性爪失去内部支撑，上提管柱即可将丢手工具的接箍、油管短节、弹性爪、钢球、球座、连接环和限位环起出，打捞筒及其他部件留在井下,便于后期打捞。

图 1 丢手工具Fig. 1 Releasing tool

新型机械防污染工具结构如图2 所示，先通过丢手工具将新型机械防污染阀和定位密封插入到顶部封隔器内完成丢手。新型机械防污染工具最上部设置有小凡尔，洗井时洗井液被小凡尔封堵，无法漏失至地层。机械防污染工具中部和下部设有大凡尔，由于海上油田通常洗井压力在3 MPa 以内，因压缩弹簧预紧安装，洗井液无法压开大凡尔漏失至地层。后期油井需要酸化时，注入压力高于8 MPa 即可保证酸液压开2 个大凡尔并进入地层。注酸通道开启压力可根据油井实际亏空情况进行调节，通常情况下，注酸通道开启压力高于亏空液柱压力4 MPa即可阻止洗井液漏失至地层。在正常生产时，产液从机械防污染工具下部进入到内部夹壁腔，通过桥式凡尔阀座内的环形通道，经过大凡尔罩夹壁腔，最后顶开小凡尔流入至套管中，通过电泵举升至地面管线［5-7]。与原有的机械防污染工具相比，新型机械防污染工具增设了扶正机构，使新工具适用于大斜度井和水平井；弹簧调节机构进行优化设计，使其具有较好的防腐性能和良好的调节性能，新工具寿命大大延长。

图 2 新型机械防污染工具Fig. 2 The new mechanical anti-contamination tool

1.2 作业步骤

工具入井时，工具串组合(从下至上)：配重油管+定位密封工具+新型机械防污染工具+液压丢手+油管，完成工具串丢手后，下入电泵管柱即可进行生产作业，如图3 所示。作业步骤：(1)工具丢手。当工具串下入井中直至定位密封工具插入到封隔器内实现密封定位后，从油管投入Ø57 mm 钢球，井口加压10 MPa，丢手工具剪钉被剪切，上提管柱即完成新型机械防污染工具的投放。(2)正常生产。下入电泵生产管柱，启泵生产。产液通过配重油管内腔进入，流经新型机械防污染工具内部，顶开上部小凡尔，进入到上部套管中从而被泵入至地面管道。(3)洗井。常规洗井或换管柱作业时，洗井压力不足以打开酸化通道，洗井液不会漏失至地层。(4)酸化。进行酸化施工时，环空泵入酸液，当压力达到设定值后酸化通道开启，停注后在压缩弹簧回复力的作用下酸化通道自动关闭。

图 3 生产管柱Fig. 3 Production string

1.3 注酸通道压缩弹簧性能校核

压缩弹簧的自由长度为398 mm，安装后长度372 mm，设计压缩弹簧最小工作负荷为8 139 N，最大工作负荷为11 000 N。通过调节筒调节弹簧压缩量，使注酸通道开启压力为8 MPa，此时测量调节筒与大凡尔罩之间的距离从63 mm 缩减至35 mm，此时弹簧压缩后的长度为344 mm，与设计值347 mm接近，其中注酸通道液压作用的直径为Ø36 mm，则计算弹簧所受力为

式中，P 为作用在大凡尔上的压差，Pa；A 为大凡尔上有效的液压作用面积，m2。

弹簧受力与最小工作负荷8 139 N 基本一致，弹簧性能满足设计要求。

1.4 丢手工具弹性爪仿真分析

设计的弹性爪机构共有12 个爪，沿中心轴线均匀分布（见图4）。弹性爪所用材料为40CrMnMo，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为780 MPa，摩擦因数0.1。利用SolidWorks 软件建立弹性爪的三维模型。

图 4 弹性爪三维模型Fig. 4 3D model of elastic claw

将弹性爪模型导入ANSYS 软件，建立三维有限元分析模型，其网格划分采用六面体单元。在弹性爪右端施加固定约束，在弹性爪左端爪牙受力斜面处施加3×105N 的拉力。图5 为弹性爪结构应力分布云图，可以看出，弹性爪最大等效应力发生在爪根部位置，最大应力达到789 MPa，由于爪根部位置是斜面和圆弧面相交，存在应力集中现象，其影响面积较小，可通过倒圆处理避免弹性爪在受拉时变形失效。通常现场弹性爪承受拉力不足1×105N，所承受的应力远远小于789 MPa，可以现场使用要求。

图 5 弹性爪静载下应力分布云图Fig. 5 Stress distribution cloud image of elastic claw under static load

建立弹性爪在脱手时的有限元分析模型，如图6所示。由于外套为刚体，不进行网格划分，且为了提高计算效率，截取1/4 剖面部分进行分析计算。弹性爪轴向运动过程中，测量拉力变化曲线如图7 所示。弹性爪从外套扩径处拔出，作用力逐渐增大；当弹性爪受到最大程度的挤压时，作用力瞬间增至最大，其最大轴向载荷为372 N，整个弹性爪轴向载荷为1 488 N。在现场作业时，该轴向载荷不会对定位密封等井下工具产生误动作［8-10]。

1.5 技术特点

(1)在结构上，新型机械防污染工具采用全金属密封设计，工具适用150 ℃以上高温井，且优化了扶正机构，工具适用大斜度井和水平井。

图 6 弹性爪1/4 剖面部分三维模型Fig. 6 3D model of 1/4 elastic claw section

图 7 弹性爪轴向拉力载荷变化曲线Fig. 7 Variation of axial tensile load of elastic claw

(2)在弹簧调节结构方面，新型机械防污染工具增设了轴承，解决了防污染工具在调节压缩弹簧压缩量时，大凡尔与大凡尔座发生摩擦易造成金属密封失效的问题；同时对弹簧进行优化设计，采取特殊的防腐处理工艺，使工具具有较好的防腐性能和良好的调节性能，工具寿命大大延长。

(3)在工具投入方式方面，采用配套的液压丢手工具可完全避免机械丢手工具在大斜度井中丢手困难的问题。

1.6 主要技术参数

主要技术参数如表1、表2 所示。

2 现场应用

渤海NB35-2 油田某水平井深1 491 m，防砂顶部封隔器深1 237 m，该处井斜86°，套管尺寸Ø224 mm。新型机械防污染工具连接在丢手管柱上，组装下入丢手管柱：Ø73 mm 斜口引鞋+Ø73 mm UP TBG 倒角油管+Ø152.4 mm 定位密封+变扣(Ø88.9 mm UP TBG BOX×Ø73 mm TBG PIN)+新型机械防污染工具+配套丢手工具+变扣(Ø73 mm TBG PIN×Ø88.9 mm UP TBG BOX)+Ø88.9 mm UP TBG 油管短节+Ø88.9 mm UP TBG 油管。

现场作业过程：(1)下入丢手管柱，其中新型机械防污染阀下入深度1 237 m，井斜为86°。(2)下钻到位，测试上提管柱悬重320 kN，下放管柱悬重310 kN；下压管柱30 kN 试插入定位密封，过提管柱50 kN 拔出；井口配管，连接管线，正循环补液。(3)再次插入确认管柱到位后，关闭环形防喷器，正挤，持续开泵，泵压升至8 MPa 后，压力保持稳定，新型机械防污染工具注酸通道开启。(4)停泵泄压，井口投入Ø57 mm 钢球，连接管线，开泵正循环送球，泵排量5 m3/h，泵压0.5 MPa，累计正循环40 min，泵压逐渐升高；升至10.5 MPa，脱手成功。(5)停泵泄压，上提管柱3 m，关闭环形防喷器，持续开泵，泵压升至8 MPa 后，压力保持稳定，表明新型机械防污染工具注酸开启压力稳定。该井本次作业下入新型机械防污染工具，应用前漏失量195 m3，作业后无漏失，含水恢复期仅为6 d(上次修井含水恢复期为25 d)，防污染工具下入后，储层保护效果明显。

表 1 丢手工具技术参数Table 1 Technical parameters of releasing tool

表 2 机械防污染工具技术参数Table 2 Technical parameters of mechanical anticontamination tool

3 结论

(1)压缩弹簧及其调节结构的设计不合理是引起机械防污染工具注酸通道开启压力不准确的主要原因。

(2)研究中的新型机械防污染工具与配套的液压丢手工具，适用于在大斜度和水平井中应用；注酸通道开启压力调节范围为8～16 MPa，能满足海上油田应用的需求。

(3)该新型防污染工具的不足之处在于生产时压缩弹簧与产液接触，长时间弹簧会发生腐蚀，影响注酸通道开启压力，弹簧的防腐工艺和弹簧的腔体密封设计将作为下一步的研究方向。