新型液壓尾管釋放控制器的研制

摘 要

摘要：為解決過去深井、超深井、定向斜井、水平井以及頁巖氣水平井尾管懸掛固井中，采用旋轉(zhuǎn)倒扣和懸重判別釋放尾管所出現(xiàn)的“倒扣失效”和“判別失誤”技
摘要：為解決過去深井、超深井、定向斜井、水平井以及頁巖氣水平井尾管懸掛固井中，采用旋轉(zhuǎn)倒扣和懸重判別釋放尾管所出現(xiàn)的“倒扣失效”和“判別失誤”技術(shù)難題，開展了液壓尾管釋放和液壓判別技術(shù)研究。針對(duì)旋轉(zhuǎn)倒扣和懸重判別的技術(shù)缺陷，設(shè)計(jì)并采用了液壓鎖掛釋放尾管和泄壓判別尾管脫離的新方法，研制出了新型液壓尾管釋放控制器：在送入管柱與尾管之間設(shè)置了鎖掛連接及鎖控機(jī)構(gòu)，連同尾管懸掛管柱下入井內(nèi)，通過井口投球、液壓懸掛、加壓解鎖，使鎖掛收縮復(fù)位釋放尾管；再通過穩(wěn)壓上提管柱使插入管解封泄壓，觀察管內(nèi)壓力明顯下降即可判定尾管釋放成功。呆用該新型液壓尾管釋放控制器，在復(fù)雜井況的尾管釋放作業(yè)中不需倒扣，操作簡便、安全可靠，可避免以往提前下鉆稱重的繁瑣環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。應(yīng)用結(jié)果表明：該新方法的采用改進(jìn)了尾管釋放技術(shù)，達(dá)到了提高尾管懸掛固井質(zhì)量的目的。
關(guān)鍵詞：深井；定向斜井；頁巖氣水平井；液壓尾管釋放；液壓判別；控制器；研制；提高固井質(zhì)量
    目前，深井、超深井、定向斜井、水平井越來越多，特別是頁巖氣水平井也在逐步增加，尾管懸掛固井長期采用的旋轉(zhuǎn)倒扣釋放尾管技術(shù)已面臨挑戰(zhàn)[1～4]。由于井況日趨復(fù)雜，尾管釋放中倒扣和懸重判別的難度加大，有的井旋轉(zhuǎn)倒扣幾百上千轉(zhuǎn)依然不能順利脫扣，起鉆時(shí)常有粘、卡、掛、帶尾管的現(xiàn)象。為盡量找準(zhǔn)中和點(diǎn)倒扣，需專門提前下鉆稱重，測取送入鉆柱重量和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，操作特別繁瑣，耗費(fèi)了大量的時(shí)間和成本，施工質(zhì)量仍然得不到保證。因此，解決上述各種類型井的尾管釋放技術(shù)難題[5～10]，研制新型的尾管釋放裝置及判別方法已成為當(dāng)務(wù)之急。
1 尾管釋放作業(yè)的影響因素及技術(shù)難點(diǎn)
1.1 不同類型井對(duì)尾管釋放成功率的影響
   頁巖氣井由于鉆遇地層疏松，井壁容易垮塌，如垮塌物進(jìn)入喇叭口就可能阻卡旋轉(zhuǎn)倒扣，甚至粘卡尾管隨鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)使垮塌加重或堵塞環(huán)空影響注水泥施工。深井、超深井的送尾管鉆柱過長過軟，使旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞和中和點(diǎn)判別誤差增大，井口很難把握和判斷實(shí)際的倒扣狀態(tài)，影響倒扣成功率。斜井、水平井由于井斜度過大，使井內(nèi)管柱彎曲，在軸向拉壓、扭矩和彎曲應(yīng)力的影響下，使螺紋受力不均，容易粘扣，井斜摩阻增大，懸重判斷失真，嚴(yán)重影響倒扣成功率。特別是在較深的頁巖氣水平井中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)倒扣釋放尾管作業(yè)，將面臨多種難度及風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何提高頁巖氣水平井、大斜度深井的尾管釋放旋轉(zhuǎn)倒扣和懸重判別成功率是一個(gè)急需解決的問題。
1.2 旋轉(zhuǎn)倒扣、懸重判別的技術(shù)難點(diǎn)
    常用尾管釋放技術(shù)采用反向螺紋連接、正向倒扣釋放尾管和懸重判別尾管脫離的方法。當(dāng)旋轉(zhuǎn)倒扣處于深井、斜井、水平井或頁巖井復(fù)雜條件影響下，使中和點(diǎn)或扭矩失真，旋轉(zhuǎn)倒扣容易出現(xiàn)粘、卡、掛、磨的異?，F(xiàn)象：在多向應(yīng)力狀態(tài)反復(fù)旋轉(zhuǎn)倒扣無松動(dòng)為粘扣；在外物阻卡狀態(tài)反復(fù)旋轉(zhuǎn)倒扣不脫離為卡扣；在旋轉(zhuǎn)倒扣不充分狀態(tài)使余扣粘掛為掛扣；在旋轉(zhuǎn)倒扣過分狀態(tài)使余扣磨損為磨扣，此類異常促使倒扣失效。同時(shí)，在復(fù)雜情況下依靠懸重判別尾管脫離也十分困難，由于提前專門下鉆稱重和測取的參考數(shù)據(jù)與實(shí)際狀況的偏差大，使懸重判斷失真，起鉆容易發(fā)生判別失誤或攜帶尾管的現(xiàn)象，特別在尾管短、重量輕，井斜摩阻變化大的情況下更容易出錯(cuò)。因此，旋轉(zhuǎn)倒扣失效和懸重判別失誤是旋轉(zhuǎn)倒扣尾管釋放技術(shù)的主要難點(diǎn)。
2 尾管釋放技術(shù)創(chuàng)新思路
    針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，將原有旋轉(zhuǎn)倒扣和懸重判別方法改變?yōu)橐簤烘i掛和液壓判別方法。在送入管柱與尾管之間設(shè)置鎖掛連接和液壓鎖控機(jī)構(gòu)，連同尾管柱下入井內(nèi)，通過井口投球、液壓懸掛、加壓解鎖，使鎖掛收縮復(fù)位釋放尾管，再通過穩(wěn)壓上提管柱使插入管解封泄壓，觀察管內(nèi)壓力明顯下降判定尾管脫掛成功，再繼續(xù)加壓使球座下行至泄壓膠塞開通循環(huán)注水泥。尾管釋放控制與懸掛控制和膠塞控制構(gòu)成綜合控制系統(tǒng)，使尾管入井、懸掛、釋放和開通循環(huán)安全可靠，滿足了施工要求。
2.1 尾管鎖掛連接及液壓控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
    在尾管送入器的插入管下端設(shè)置鎖掛機(jī)構(gòu)連接殼體及尾管，鎖掛下部設(shè)置環(huán)形分布的彈性掛鉤，內(nèi)部設(shè)置鎖筒滑動(dòng)擴(kuò)張掛鉤與殼體掛接并鎖緊，控制尾管入井懸掛，讓掛鉤處于卸載狀態(tài)，利用液壓懸掛解控裝置的向下運(yùn)動(dòng)，即加壓使球、球座、滑套繼續(xù)下行推動(dòng)鎖筒向下解除鎖掛控制，使彈性掛鉤自動(dòng)收縮復(fù)位脫離殼體及尾管，以實(shí)現(xiàn)尾管的鎖掛控制及液壓釋放功能。這樣，可避免為找中和點(diǎn)專門起下鉆稱重的繁瑣和倒扣的困難，操作簡便，節(jié)省時(shí)間和成本。
2.2 尾管釋放液壓判別方法設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)使尾管釋放的控制壓力與開通循環(huán)控制壓力之間保持一定的壓力級(jí)差，在實(shí)施液壓尾管釋放后保持管內(nèi)壓力不變的狀態(tài)下，采取上提管柱使插入管下端解除密封泄壓、通過井口觀察管內(nèi)壓力顯示是否明顯下降來判斷尾管是否脫掛，得出明顯脫掛結(jié)果后再加壓開通循環(huán)進(jìn)行注水泥施工。這樣可克服以往懸重判別尾管脫離的操作和判別失誤。
3 新型液壓尾管釋放控制器的研制
3.1 基本結(jié)構(gòu)
液壓尾管釋放控制器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由送入器(插入管)，懸掛器(錐體、卡瓦、液缸、中心管、雙公短接、套管短接)，鎖掛機(jī)構(gòu)(殼體、鎖掛、鎖套、鎖筒、鎖帽)和解鎖機(jī)構(gòu)(球、球座、滑套)等組成。
 

3.2 作用原理
    將液壓尾管釋放控制器安裝于尾管懸掛器，下端連接尾管短接及尾管，上端連接懸掛器、插入管及鉆桿柱，一同下入井內(nèi)設(shè)計(jì)位置，懸掛作業(yè)時(shí)從井口投球坐封球座(圖1)，向管內(nèi)加注一定液壓，使球座帶動(dòng)滑套下行剪斷銷釘，打開液缸傳壓通道解除懸掛控制，加壓推動(dòng)液缸活塞及卡瓦上行實(shí)現(xiàn)尾管懸掛；再加注一定液壓使球、球座及滑套繼續(xù)向下推動(dòng)鎖帽及鎖筒下行剪斷銷釘解除鎖掛控制，使彈性鎖掛自動(dòng)收縮復(fù)位脫離鎖套、殼體及尾管的掛接，實(shí)現(xiàn)尾管液壓解鎖釋放功能；保持此液壓狀態(tài)上提鉆柱一定高度使插入管下端解封泄壓(圖2)，觀察壓力顯示是否明顯下降即可判斷釋放尾管是否成功。判定成功再加注液壓使球座剪斷銷釘下行至泄流膠塞，開通循環(huán)孔注水泥，然后投放鉆桿膠塞帶動(dòng)泄流膠塞下行至膠塞座碰壓自鎖控制水泥漿回流，以保證固井施工質(zhì)量。

4 結(jié)論
    1) 新型液壓尾管釋放控制器的研制成功，主要解決了尾管懸掛固井中長期存在的“旋轉(zhuǎn)倒扣失效”和“懸重判別失誤”的技術(shù)難題，克服了深井、超深井、斜井、水平井以及頁巖氣水平井中由于井深管柱過長、井斜度過大或地質(zhì)疏松井壁垮塌等復(fù)雜情況對(duì)尾管釋放的嚴(yán)重影響和實(shí)施困難，技術(shù)上取得了重大突破，特別為目前頁巖氣水平井的快速發(fā)展提供了新型產(chǎn)品，在未來的實(shí)際應(yīng)用中將產(chǎn)生良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。
   2) 液壓尾管釋放及液壓判別方法填補(bǔ)了尾管釋放方法的技術(shù)空白，創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)長期采用的旋轉(zhuǎn)倒扣和懸重判別方法存在的技術(shù)缺陷，提出了液壓尾管釋放及液壓判別的新方法，避免了尾管釋放中出現(xiàn)粘、卡、掛、帶尾管的現(xiàn)象，方法簡便、實(shí)施容易，可以防止事故、節(jié)省成本，保證和提高固井質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳奇.井下作業(yè)工程師手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002.
[2] 聶翠平，鄒祥富，徐峰，等.新型井下低頻水力震動(dòng)固井裝置的研制[J].天然氣工業(yè)，2009，29(4)：45-47.
[3] 袁光杰，夏焱，李根生，等.井下套管閥下入深度的計(jì)算方法[J].天然氣工業(yè)，2009，29(2)：73-75.
[4] 孫永興，林元華，施太和，等.對(duì)油氣井油管、套管ISO新抗擠模型的研究[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1 2)：32-34.
[5] 丁士東，周仕明，陳雷，等.川東北地區(qū)高溫高壓高含硫氣井配套固井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2009，29(2)：58-60.
[6] 馬勇，姚坤全，常洪渠，等.提高高壓氣井套管回接固井質(zhì)量的技術(shù)[J].天然氣工業(yè)。2009，29(2)：61-63.
[7] 嚴(yán)焱誠，肖國益，薛麗娜，等.川西地區(qū)須家河組氣藏深井固井的難點(diǎn)及對(duì)策[J].天然氣工業(yè)，2009，29(12)：38-40.
[8] 莫軍.川西大尺寸套管長封固段同井技術(shù)[J].西部探礦工程，2006，18(增刊1)：158-160.
[9] 齊奉忠，申瑞臣，劉英，等.國內(nèi)固井技術(shù)現(xiàn)狀問題及研究方向建議[J].鉆采工藝，2004，27(2)：7-10.
[10] 韓傳軍，劉清友，王國榮.等.天然氣水合物取樣裝置的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2009，29(2)：61-63.
 
(本文作者：陳玉書 中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)