1、收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 6作者简介:董赵朋(1 9 8 2-),男,湖北黄冈人,硕士,工程师,现从事石油固完井工具研究工作。一体式球座尾管胶塞研制与应用董赵朋,曹靖瑜,蒋海涛,宋剑鸣,蒋立坤,杨 旭(渤海钻探工程技术研究院,河北 任丘 0 6 2 5 5 2)摘要:针对尾管悬挂固井施工中坐封球下行时间长,密封易失效,以及胶塞承压能力低、无法憋脱的问题,研制了一体式球座尾管胶塞。设计的一体式尾管胶塞集球座和胶塞于一体,并采用弹性棘爪的结构方式,具有安全可靠、承压能力高,性能稳定等特点。通过室内模拟和现场试验表明,一体式尾管胶塞整体承压能力大于3 5 MP a,承压能力及憋脱性能稳定
2、,缩短了憋压球下落的距离,提高尾管悬挂器的座挂和碰压成功率,缩减了作业时间和减少事故率,降低钻井成本,具有较好的经济效益。关键词:固井;尾管;胶塞;球座中图分类号:T E 2 5 6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 6-0 0 1 4-0 4 尾管固井是在上部已下有套管的井内,只对下部新钻出的裸眼井段下套管注水泥进行封固的固井方法。该工艺技术由于其低廉的作业成本、显著的经济和社会效益业已成为深井、超深井固井施工的常用工艺技术。尾管悬挂器是尾管固井工艺技术中的关键工具,而钻杆胶塞与尾管胶塞属于尾管悬挂器工具中的附件,起到隔离替浆液与水泥浆以及驱替水泥
3、浆的作用。在尾管固井施工中经常会出现一些诸如替空、“灌香肠”与留水泥塞导致环空返高不够等事故的发生,带来巨大的经济损失。究其原因主要是钻杆胶塞被卡死、复合后尾管胶塞未释放以及胶塞损伤等,为了解决此类问题,国内外开展了大量的研究工作,比如整体硫化钻杆胶塞,减少钻杆胶塞“脱裤子”(即钻杆胶塞导向头和铝制杆之间脱离,胶塞皮碗脱落)现象,尾管胶塞与中心管之间采用卡块式连接,降低胶塞无法憋脱的风险。但胶塞失效现象仍有发生,并造成了巨大的经济损失1-1 0。为此,研制了一种一体式球座尾管胶塞,将球座和尾管胶塞集于一体,并通过优选高分子合成橡胶、可钻性好的铝合金等材质,优化皮碗和护肩结构,改进了憋脱方式,胶
4、塞皮碗承压能力大大增强,最高承压4 0 MP a,且憋脱可靠,在现场应用取得良好效果。1 常规尾管胶塞1.1 结构及原理常规尾管胶塞由上接头、皮碗、隔环、芯轴、限位卡簧、剪销和密封件等组成,如图1所示。在尾管固井过程中,其通过短节与尾管悬挂器中心管下端接箍相连,然后置于套管内,注完水泥后,压塞液和替浆液推动钻杆胶塞到底尾管胶塞位置后,钻杆胶塞与尾管胶塞复合,在此处形成密封,当上端压力高于剪销压力后剪销被剪断,尾管与中心管分离,与钻杆胶塞一起下行顶替水泥浆至环空封固地层,直至碰压。图1 常规尾管胶塞41 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 1.2 结构分析及存在的问题通过常规尾管胶塞的结构,不
5、难看出胶塞与中心管的连接方式为销钉连接,剪销剪切力的大小是尾管胶塞憋脱成功的关键因素。如果胶塞复合后,剪销未剪断,胶塞不能下行,造成尾管灌“香肠”现象。此时继续增压,上升的液压会将钻杆胶塞皮碗压翻,替浆液从尾管胶塞的传压孔进入送入工具与套管之间的间隙,尾管胶塞皮碗承压能力低,容易被压翻,形成一个循环通道,无法为替浆作业的实施提供保障。另外在倒扣的过程中,尾管胶塞与中心管一起转动,若胶塞皮碗的摩阻偏大,导致剪销被提前剪断,导致胶塞提前释放,无法后续施工。2 球座一体式尾管胶塞2.1 结构及原理新设计的一体式球座尾管胶塞主要由上接头、连接套、弹性棘爪、限位套、上芯轴、本体、皮碗、挡环、内限位卡簧、
6、外限位卡簧、下接头、球座芯轴以及密封件等组成,如图2所示。该尾管胶塞集球座和尾管胶塞于一体,座挂时,从井口投入坐封球,到达球座后,液体经过上芯轴流通孔进入中心管与悬挂器本体间的环形空间,从而进入液缸实现尾管悬挂器的座挂。倒扣丢手后,继续憋压,剪断球座销钉,下芯轴下行,下接头循环孔开启,循环通道畅通。注完水泥后,顶替也驱动钻杆胶塞到达上芯轴后,实现密封,继续憋压,上芯轴销钉被剪断,钻杆胶塞带动上芯轴一起下行,弹性棘爪失去支撑,在轴向压力的作用下,胶塞与上接头实现分离。1上接头;2连接套;3弹性棘爪;4上芯轴;5限位套;6上芯轴销钉;7密封件;8、1 0、1 2、1 4胶盘;9、1 1、1 3、1
7、 5挡环;1 6本体;1 7外限位卡簧;1 8下接头;1 9球座芯轴;2 0球座销钉图2 一体式球座尾管胶塞2.2 技术特点2.2.1 该尾管胶塞集球座和尾管胶塞于一体,缩短了憋压球下落的距离,缩减了作业时间,提高水平井尾管悬挂器的座挂成功率,且憋通球座时压力释放对地层冲击小,利于井下防漏。2.2.2 该尾管胶塞通过异型加厚皮碗及锥形护肩结构设计,胶塞皮碗承压能力最高可达3 5MP a。2.2.3 该尾管胶塞采用滑套式球座结构设计,球座无需憋掉,解决了球座掉落的风险;2.2.4 该尾管胶塞采用棘爪式连接方式,解决了倒扣时尾管胶塞转动造成胶盘磨损问题和提前憋脱的风险,提高了尾管胶塞憋脱的可靠性。
8、2.3 技术指标规格:1 2 7 mm。皮碗组合:1 1 4 mm1个+1 2 0 mm3个球座内径:3 8 mm。总长:6 0 0 mm。球座剪切压力:1 81 MP a胶塞憋脱压力:1 01 MP a胶盘承压能力:3 5 MP a工作温度:1 2 02.4 承压能力分析皮碗是一体式球座尾管胶塞的关键部件,其承压能力决定着尾管胶塞的可靠性,因此有必要对其进行数值模拟分析计算,证实其设计的合理性。一体式球座尾管胶塞由四组胶盘组成,其中第一个胶盘首当其冲承受上端压力,故只需对第一个胶盘和挡环建立模型,如图3所示。图3 第一胶盘有限分析模型图 套管作为辅助计算结构,只去内表面设置成刚体,在挡环的下
9、端和套管的外表面施加固定约束,51 2 0 2 3年第6期董赵朋等 一体式球座尾管胶塞研制与应用胶盘和套管、胶盘和挡环之间分别定义面-面接触,胶盘与套管接触组中胶盘上外表面为主面,套管内表面为从面;胶盘和挡环接触组中胶盘下外表面为主面,挡 环 上 端 面 为 从 面。在 胶 盘 内 表 面 施 加4 0 MP a压力载荷,对应的应变云图如图所示,从图中可以看出胶盘最大应变值在1.6 2 7,低于橡胶断裂值1.71.8,胶盘在安全范围内。图4 加载4 0 MP a后的整体应变云图图6 加载4 0 MP a后胶盘和套管的压力云图 提取胶盘与套管之间的接触应力随载荷变化结果,如图5所示,加载4 0
10、MP a后胶盘和套管的压力云图如图6所示。从图5和图6可以看出,胶盘与套管的最大接触压力为4 0.7 MP a。图5 胶盘与套管的接触压力关系曲线图3 性能测试为了验证一体式球座尾管胶塞的承压能力、憋脱性能、通过性以及抗疲劳损坏性,在室内开展了模拟试验。模拟管 串:内 径1 0 8.5 mm短 套 管1.5 m+1 2 7 mm套管1.5 m3.1 胶塞整体承压试压步骤:将尾管胶塞与试验接头连接后,置于1 0 8.5 mm的短套内,且下端连接下限位试验接头,防止胶塞轴向移动;从试验接头上端投入坐封球,连接试验泵,开泵加压到设计压力并记录试验结果;3.2 球座憋通和胶塞憋脱试验步骤:将尾管胶塞与
11、试验接头连接后,置于1 0 8.5 mm的短套内,上试验接头外螺纹与短套管螺纹连接;从试验接头上端投入坐封球,连接试验泵,开泵加压,球座憋脱并记录试验结果;再从试验接头上端投入钻杆胶塞,连接试验泵,开泵加压,胶塞复合后憋脱并记录试验结果;继续打压,观察胶塞的通过性;表1 一体式球座尾管胶塞可靠性试验数据序号整体承压(MP a)球座憋通压力(MP a)胶塞憋脱压力(MP a)通过性(是/否)13 51 0.11 8.2是 试 验 结 果 表 明:胶 塞 整 体 承 压 能 力 达 到 了3 5 MP a,球座憋通和胶塞的憋脱性能稳定,且顺利通过试验套管后皮碗形状基本完好,未出现撕裂、脱落的现象。
12、(下转3 5页)61 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 参考文献1 毛景文,陈懋弘,袁顺达,等.华南地区钦杭成矿带地质特征和矿床时空分布规律 J.地质学报,2 0 1 1,8 5,(5):5 8+6 3 6.2 肖惠良,陈乐柱,鲍晓明,等.南岭东段钨锡多金属矿床地质特征、成矿模式及找矿方向J.资源调查与环境,2 0 1 1,3 2(2):1 9+1 0 7.3 毛景文,李晓峰,L EHMANNB,等.湖南芙蓉锡矿床锡矿石和有关花岗岩的(4 0)A r-(3 9)A r年龄及其地球动力学意义 J.矿床地质,2 0 0 4(1):7 5+1 6 4.4 贺转利,许德如,陈广浩,等.湘东北燕山期
13、陆内碰撞造山带金多金属成矿地球化学 J.矿床地质,2 0 0 4(1):3 9-5 1.5 郭灵俊,赵志军,崔来旺,等.内蒙古阿巴嘎旗北部铜多金属矿地质矿产特征及找矿方向J.地球学报,2 0 1 1,3 2,(1):5 7-6 3.6 毛景文,谢桂青,郭春丽,等.华南地区中生代主要金属矿床时空分布规律和成矿环境J.高校地质学报,2 0 0 8(4):2 6+5 1 0.7 李华芹,路远发,王登红,等.湖南骑田岭芙蓉矿田成岩成矿时代的厘定及其地质意义J.地质论评,2 0 0 6(1):2 1+1 1 3.8 黄革非,龚述清,蒋希伟,等.湘南骑田岭锡矿成矿规律探讨 J.地质通报,2 0 0 3(6
14、):5 1+4 4 5.9 毛景文.超大型钨多金属矿床成矿特殊性以 湖 南 柿 竹 园 矿 床 为 例 J.地 质 科 学,1 9 9 7(3):6 3+3 5 1.1 0 龙宝林,伍式崇,徐辉煌.湖南锡田钨锡多金属矿床地质特征及找矿方向 J.地质与勘探,2 0 0 9(3):3 4+2 2 9.(上接1 6页)4 现场应用该尾管胶塞累计在长庆、二连油田已累计应用5井次,胶塞整体性能稳定,顺利实现悬挂器的座挂、球座的憋通、胶塞复合后憋脱以及碰压,提高尾管悬挂器的座挂和碰压成功率,减小施工事故发生率。5 结论5.1 研制的一体式球座尾管胶塞集球座和尾管胶塞于一体,缩短了憋压球下落的距离,缩减了作
15、业时间,提高水平井尾管悬挂器的座挂成功率,且憋通球座时压力释放对地层冲击小,利于井下防漏。5.2 经测试,胶塞整体承压能力达到了3 5 MP a,完全满足尾管固井施工要求。5.3 应用证明一体式球座尾管胶塞在承压能力及憋脱稳定性方面具有独特的优势,能够满足现场复杂条件的需求。参考文献1 姚辉前,郭超辉,马兰荣,等.尾管固井技术中胶塞失效分析J.石油机械,2 0 1 3,4 1(1):3 1-3 5。2 秦金立,苏同.国外固井胶塞研究新进展J.石油矿场机械,2 0 1 0,3 9(1):3 9-4 2。3 贾晓斌.复合钻杆胶塞解决超深井尾管固井碰压问题J.石油钻探技术,2 0 0 5,3 3(4
16、):4 9-5 0.4 郭建国.复合胶塞液压自动脱挂尾管悬挂器研制与应用J.石油机械,2 0 0 4,3 2(增刊1):5 3-5 5.5 周文军,高云文,吴学升,等.变径自锁复合固井胶塞的研制与应用J.石油机械,2 0 1 3,4(1):1 7-1 9.6 孙文俊,徐明会,徐星,等.尾管固井中胶塞复合压力预测模型研究 J.长江大学学报(自科版),2 0 1 5(1 3):5 4-5 67 秦金立,苏同.国外固井胶塞研究新进展J.石油矿场机械,2 0 1 0,3 9(1):3 9-4 28 胡锦川.曙4-H 1 0 4 CH侧钻小井眼水平井复合尾管完井实践J.钻采工艺,2 0 1 8,4 1(3):1 0 2-1 0 6.9 马兰荣,王德国,阮国良,等.多功能尾管悬挂器关键技术研究J.石油钻探技术,2 0 1 4(5):1 1 9-1 2 5.1 0 李丹阳,肖勇,牛阁,等.塔里木油田超深水平井中的复合尾管胶塞的研制与应用J,石油钻采工艺,2 0 1 8,4 1(5):1 0 5-1 0 753 2 0 2 3年第6期王 娅等 湖南永兴新生铜锡多金属矿地质特征与找矿方向
