刘崇江 姚飞,3 宋兴良 刘钰川 王鹏程 张平安
1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院；
2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室；
3.东北石油大学石油工程学院
2015年新《环境保护法》实施后，国家、地方政府和各大石油公司等都加大了对环保工作的重视程度［1］，大庆油田提出了“井液不出井”的源头环保开发要求，井下作业面临的环保形势十分严峻。抽油机井在检泵作业过程中，由于地层压力高、井筒溢流大，导致井液喷出地面［2-4］。目前主要采用2种防喷工艺：(1)随泵下入活堵、帽型活门或防喷脱接器等油管防喷工具［5-6］，实现一次或二次作业油管防喷，但无法控制油套环空溢流；
(2)下入滑套式或浮子式井筒防喷管柱实现全井筒防喷［7-9］，但不能满足生产过程中过环空测试的要求。为此，研制了可环空测试井筒防喷工艺管柱及配套工具，不仅解决了检泵作业过程中井液喷出污染环境的问题，又能够实现生产过程中不动管柱过环空测试。
1.1 管柱结构
可环空测试井筒防喷工艺管柱见图1，Y445封隔器用于密封油套环空，阀芯式井下开关可实现油管内部过流通道的开启和关闭。
图1 防喷工艺管柱Fig.1 Blowout prevention pipe string
1.2 工艺原理
利用油管将Y445封隔器、阀芯式井下开关投送至预定位置后，油管打压坐封，上提顺时针旋转完成管柱丢手。泵抽管柱携带捅杆，插入丢手管柱打开阀芯式井下开关，上提至泵挂深度(距离丢手管柱20 m以上)，实现正常生产。测试时，测试仪器(外径28 mm)通过偏心井口、油套环空和阀芯式井下开关内中心通道，对油层进行产液剖面测试。二次检泵作业时，下放泵抽管柱，关闭阀芯式井下开关，密封全井筒，实现施工过程中井口无溢流。防喷工艺管柱坐封压力15 MPa，工作压差25 MPa，耐温90 ℃，解封载荷30～40 kN；
阀芯式井下开关开启、关闭载荷12～15 kN，最小内通径36 mm。
2.1 Y445封隔器
Y445封隔器（图2）与专用坐封工具连接后由油管投送下井。坐封时，在液压的作用下，专用坐封器推动坐封套下行，使锥体推动卡瓦楔入套管起到双向锚定的作用，胶筒压缩密封油套环形空间，同时锁环锁住中心管使封隔器始终处于密封锁紧状态，完成坐封和锚定；
上提管柱并正转使坐封器与封隔器脱开，实现丢手。解封时，下入专用打捞工具捞住底端的解封环，上提管柱，胶筒回收、卡瓦复位，完成解封；
如果打捞失败，可下入钻铣工具将锁环钻掉，上提完成解封并可将封堵管柱全部起出。
图2 Y445 封隔器结构Fig.2 Y445 packer structure
2.2 阀芯式井下开关
传统滑套或浮子开关在开启状态下，受捅杆占位影响，无法过测试仪器，为此设计了“蹄型”对半式阀芯式井下开关（图3），开启时捅杆与开关分离，具有Ø36 mm的中心通道。阀芯式井下开关开启时，利用泵下捅杆推动导向头带动中心管、泄压滑套下行，油套连通后，阀芯轴带动连杆下推阀芯，对半阀芯沿导向座分开，上提捅杆，阀芯处于开启状态；
关闭时，先下放、后上提捅杆，在弹簧弹力和井底压差的双重作用下，中心管带动泄压滑套、阀芯轴上行，泄压通道关闭，对半阀芯复位密封，阀芯处于关闭状态。
图3 阀芯式井下开关结构Fig.3 Spool type downhole switch structure
可环空测试井筒防喷工艺管柱能够实现抽油机井不压井检泵作业，但其安全使用界限尚不明确，当井下压力超过其最高防喷压力时，将发生井喷、污染环境等安全环保事故。根据管柱结构分析，其安全工作界限主要受Y445封隔器密封性能、锚定性能、阀芯式井下开关密封性能的影响。通过对核心部件的数值模拟分析，开展了不同套压作用下防喷管柱的安全性评价，为其现场安全使用提供依据。
3.1 Y445封隔器密封性能数值模拟
模拟了Y445封隔器坐封后在0～25 MPa套压作用下胶筒密封系统的接触应力、胶筒与套管之间的接触应力。结果表明，胶筒密封系统初始的最大接触应力集中在隔环与胶筒端面的接触区域。随着套压持续上升，下胶筒承受自下而上的液压推动作用，胶筒被进一步压缩，胶筒与套管之间接触应力呈现持续上升趋势，且始终高于套压水平，二者之间差值呈现出随着套压上升而先下降后上升的趋势。在正常套压升高过程中，胶筒密封性能均符合要求。
3.2 阀芯开关密封性能数值模拟
3.2.1 模型建立
阀芯开关闭合后，承受井下流体压力25 MPa，对其密封性能进行有限元分析，有限元模型见图4。
图4 阀芯密封性能分析有限元模型Fig.4 Finite element model for spool sealing performance analysis
3.2.2 模拟结果分析
井下压力25 MPa作用下，密封圈的接触应力分布情况如图5所示。由图可知，密封圈与阀芯接触面上，最大接触应力达到43.64 MPa，最小接触应力为28.56 MPa，均超过了井下流体压力。故在井下流体压力作用下，密封圈能够很好地实现密封目的。
图5 井下压力25 MPa密封圈接触应力分布Fig.5 Contact stress distribution of sealing ring with downhole pressure of 25 MPa
井下压力25 MPa作用下，阀芯与密封条接触面接触应力分布情况如图6所示。由图可知，密封条在井下压力作用下，与阀芯的接触应力约为28.4 MPa，高于井下流体压力，故密封条在井下压力作用下也能实现密封目的。
图6 井下压力25 MPa密封条接触应力分布Fig.6 Contact stress distribution of sealing strip with downhole pressure of 25 MPa
3.3 工艺管柱锚定性能分析
工艺管柱的锚定主要依靠Y445封隔器的卡瓦来实现。Y445封隔器共配备4枚卡瓦，在封隔器坐封时，液压推动上下锥体挤压卡瓦沿径向运动，瓦牙卡入套管内壁，为工艺管柱提供锚定力。封隔器坐封后，卡瓦随着液压活塞作用逐渐卡进套管内部，套管与卡瓦牙接触位置将出现局部屈服变形。当坐封压力达到15 MPa时，单个卡瓦与套管之间产生的锚定力约为105.5 kN。由于封隔器有4枚卡瓦，故4枚卡瓦锚定后，可为工艺管柱提供422 kN锚定力，工艺管柱可克服的上顶力超过422 kN。
3.4 工艺管柱防喷安全性评价
工艺管柱设计时要求管柱的防喷压力超过25 MPa，解封载荷不小于40 kN，当井下压力达到25 MPa时，Ø124 mm内径的井筒将对工艺管柱提供约302 kN的上顶力。结合模拟结果可知，工艺管柱丢手后可密封的流体压力不小于28.4 MPa，可克服的上顶力不小于422 kN，设计的井筒防喷工艺管柱满足防喷要求，故基于模拟结果判断此井筒防喷工艺管柱设计合理，满足使用需求。
4.1 Y445封隔器性能实验
室内实验主要是验证Y445封隔器的坐封、承压及解封性能。将组装好的Y445封隔器与配套使用的坐封器连接好后，放入内径为Ø124 mm的套管，在坐封器上端分别施加液压10、12、15 MPa，各点稳压5 min，坐封Y445封隔器；
然后泄压至0，正转坐封器15圈，将封隔器丢手在套管短节内；
在套管短节下端施加液压至25 MPa，稳压15 min，压力不降，且承压前后封隔器无位移；
采用打捞工具上提至42 kN时，负荷降为3 kN，封隔器解封，封隔器胶筒、卡瓦回收良好，刚体无变形。实验结果表明，Y445封隔器坐封、解封正常，套压25 MPa条件下锚定密封性能良好，能够满足现场生产需求。
4.2 阀芯式井下开关性能实验
验证阀芯式井下开关开启、关闭、反向密封及仪器通过性能。将井下开关连接于拉扭机试验套管内，套管下端连接试压接头，捅杆与拉扭机上端连接。利用柱塞泵从试压接头施加液压25 MPa，稳压5 min，观察套压及工具上端出液情况；
启动拉扭机，下推捅杆至阀芯式井下开关上端，继续施加下压力，开启后上提捅杆，记录下推力，观察套压及工具上端出水情况，插入Ø28 mm测试仪器，观察能否顺利通过；
再次下推捅杆，关闭阀芯式井下开关后上提，记录下推力。重复上述步骤2次，记录下推力，观察套压及工具上端出水情况、测试仪器通过情况。
实验数据见表1。阀芯式井下开关开启、关闭载荷为14～15 kN，开启、关闭正常可靠；
关闭后从套管打压25 MPa，停泵后5 min，压力稳定不降，关闭后密封性能良好；
开启后套压降为0，工具上端正常出水，Ø28 mm测试仪器通过顺畅，满足现场需求。
表1 室内实验数据Table 1 The laboratory testing data
5.1 现场应用情况
抽油机可环空测试井筒防喷技术在大庆油田现场试验5口井，作业前平均井口压力1.8 MPa，溢流量4 m3/h。该技术实施后井口压力降至0，防喷成功率100%。其中，过环空产出剖面测试4口井，测试仪器通过工具段顺畅、无卡阻，顺利完成产液剖面测试；
二次检泵作业2口井，井下开关关闭成功率100%，实现了常规作业队伍不压井起下管柱，大幅降低了作业占井时间，节约了污油污水地面处理费用和压井费用。
5.2 典型井例
试验井N6为抽油机定点监测井，完钻井深为1 230 m，射孔顶界深度为1 133.4 m，地层压力为12.67 MPa，检泵前套管溢流较大，起管柱时存在油管喷溅现象。防喷管柱投送、坐封、丢手顺利，套管无溢流。泵抽管柱连接捅杆，试捅第1次，10 min后井口开始出现溢流且有增大趋势，说明阀芯式井下开关打开；
试捅第2次，10 min后井口无溢流，说明阀芯式井下开关关闭；
试捅第3次，10 min后井口开始出现溢流且有增大趋势，说明开关开启，上提2根油管后完井。11个月后，利用Ø28 mm测试仪器对该井进行了过环空产出剖面测试，下入和起出过程中，测试仪器通过工具段顺畅，无遇阻现象，顺利获取了产液剖面测试曲线。13个月后，该井进行了二次检泵作业，套管溢流较大，加深管柱关闭阀芯式井下开关，10 min后套管无溢流，实现了高效、安全、环保检泵作业。
(1)可环空测试井筒防喷技术实现了抽油机井不压井检泵作业，解决了起下管柱过程中井液喷出污染环境的问题，同时满足了生产过程中过环空测试的需求，具有良好的推广应用前景。
(2)生产过程中可环空测试井筒防喷管柱与泵抽管柱各自独立，避免了管柱蠕动对防喷管柱锚定及密封性能的影响。可环空测试井筒防喷技术目前只在溢流大的井上进行了现场试验，对于高压井的适应性还需进一步验证。
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