一体式球座尾管胶塞研制与应用.pdf
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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
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