一种新型的双向承压可取式桥塞的研究

徐兴权 (江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北 潜江 433124)

一种新型的双向承压可取式桥塞的研究

徐兴权 (江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北 潜江 433124)

为了满足试油、堵水、酸化、压裂等工艺措施的需要，研究了一种新型双向承压可取式桥塞，其密封部分由2组高温高压胶筒组成，打捞部分设计为捞筒，中间还设计了泄压机构。该桥塞结构简单, 具有液压坐封、双向卡瓦锚定、双向承高压、可取性好、打捞油管可退捞矛打捞等特点,是油田卡堵水、分层采油的理想配套工具。为确保承高压的安全性，还对关键部件进行了强度校核，并在现场进行了应用。现场应用情况表明, 新型双向承压可取式桥塞及配套工具结构合理，施工工艺简单易行，在后续措施施工过程中密封性能良好,起到了成功封堵底层和承受高压的作用。

可取式桥塞；结构；原理；计算；封堵；应用

目前，国内外各大油田利用桥塞组成的工艺管柱已在试油、堵水、酸化、压裂等措施中得到了广泛的应用，但从解封形式分，有可取式和永久式(即可钻式)2种形式。可钻桥塞一般均由电缆下入井中，靠爆炸方法将动力由助座器传递给桥塞，实施坐封、丢手；该桥塞无解封机构，结构简单，易钻磨，工艺技术完善，工具系列配套，在国内外得到广泛的应用[1]。国内该技术发展较快的是新疆油田，但在使用中仍有一定局限，如对作业质量要求高，必须一次坐封成功，且只能钻铣解封。而可取式桥塞在现场应用中还存在诸多问题，如中途丢手、坐封、打捞不可靠、双向承压低、解封和解卡困难等等。为此, 笔者研究了一种新型双向承压可取式桥塞。

1 桥塞的结构与工作原理

1.1结构

新型桥塞的结构如图1所示。

1—上接头环；2—防撞环；3—坐封剪钉；4—活塞套；5—球座；6—防撞球座；7—外套活塞；8—锁球；9—丢手接头；10—捞筒；11—丢手剪钉；12—心轴；13—解封剪钉；14—上胶筒座；15—锁套；16—锁芯；17—下胶筒座；18—卡瓦套；19—锁块座；20—锁块；21—锁簧；22—箍簧；23—卡瓦；24—连接管；25—胶筒；26—锥杆；27—底座。图1 新型桥塞结构示意图

1)坐封坐卡部分 由上接头、防撞环、防撞球座、活塞套、外套活塞、锁球、丢手接头、活塞套、坐封剪钉等组成。

2)密封部分 由上胶筒座、下胶筒座及2组胶筒等组成。

3)泄压部分 由连接管、锥杆、弹簧、底座等组成。

4)锚定部分 由上锥体、卡瓦、下锥体、卡瓦套及压环等组成。

5)打捞部分 由捞筒、捞矛等组成。

1.2工作原理

1)桥塞的坐封过程 把桥塞连接在管柱最下端下入井内，油管内投入钢球，待钢球坐在球座上时，油管内加液压，液压通过球座和丢手接头的孔眼作用在活塞和外套上，同时由于锁球的锁定作用，外套带动活塞套下行，剪断坐封剪钉，推动上胶筒座、锁套下行，压缩胶筒，在胶筒的作用下，推动下胶筒座、上锥体下行，推开卡瓦；外套、活塞套继续下行，锁球失去锁定作用，活塞带动丢手接头、心轴、锁芯、锁块座、锁块、锁簧、连接管、底座上行，压缩胶筒，在胶筒的作用下，推动下锥体上行，推开卡瓦；继续加液压，卡瓦继续推开，完成坐卡。活塞继续上行、外套继续下行，压缩2组胶筒，2组胶筒之间的液体通过连接管上的小孔，流入到连接管内，推动锥杆下行，流出桥塞，锁簧进入锁套内，锁簧外部的锯齿螺纹与锁套的内部锯齿螺纹啮合，形成步进锁紧机构，保证胶筒始终处于被压缩状态，胶筒封隔油、套管环形空间，完成坐封，锥杆在弹簧作用下上行，封住连接管，使2组胶筒间形成密闭空间，桥塞坐封完毕。

2)桥塞的丢手过程 桥塞坐封后，油管内继续增加液压，活塞带动丢手接头继续上行，剪断丢手剪钉，压力突降，完成丢手。上提管柱，上接头、防撞环、活塞套、球座、外套、锁球、丢手接头、活塞等随油管起出井口。

3)桥塞的解封过程 打捞桥塞时，将专用打捞工具接在油管最下端，送进井内，快到桥塞位置时，可用水正反洗井，冲去桥塞捞筒内的沉砂，下放管柱，当打捞工具抓住捞筒时，上提油管，剪断解封剪钉，拉动捞筒、锁芯上移，露出锁块，心轴限位打开，上组胶筒失去压缩力，恢复初始状态，上锥体上移；在胶筒的弹力作用下，底座、连接管、心轴下移，胶筒失去压缩力，恢复初始状态，下锥体下行，卡瓦失去内支撑，在箍簧的作用下，强制内收，完成解卡。当上提力超过20kN仍未解卡时，可向油管内投入钢球，待钢球坐在专用打捞工具内时，油管内加液压，专用打捞工具的内推杆在液压作用下下移，推动心轴、连接管、下锥体向下移动，使卡瓦失去内支撑，上提管柱，桥塞整体被提出。

2 技术参数及技术特点

2.1技术参数

最大钢体外径:114mm；总长:1000mm；适用套管内径:121～127mm；承受上压:60MPa；承受下压:60MPa；适用井温: 120～150℃;两端连接螺纹:2UPTBG;坐封压力：15MPa；丢手压力：20MPa；上提解封力：80～100kN。

2.2技术特点

1) 灵活的坐封方式 桥塞可以用电缆式坐封工具或液压坐封工具送进坐封,只要视具体井况选择合适的坐封工具即可。

2) 准确的坐封控制 桥塞坐封力可以准确控制,保证桥塞坐封安全可靠,同时,确保坐封工具在复杂情况下能安全起出井筒。

3) 可靠的防卡设计 卡瓦部分采用内置式卡瓦结构,桥塞在井筒中起下时不易遇阻遇卡。坐封后,桥塞卡瓦、胶筒自动居中,可以在任意斜度的井中安全使用。

4) 独特的封堵机构 该桥塞利用卡瓦、卡瓦锥体、卡瓦外筒的组合成的锚定机构与上下两组胶筒组合成的密封机构巧妙地结合在一起形成具有良好的双向承压能力。

5) 安全的解封机构 桥塞设计有锁定机构,不管桥塞上下压力是否平衡,所需解封力均很小，所以可以双向承高压能力强，可以满足压裂的需要。

2.3适用范围

1)临时性封堵油气水层 在稠油井、大斜度井中,用液压坐封工具送进坐封;在新井、直井中,用电缆坐封工具送进坐封。工艺过程:下钻、校深、坐封、试压,必要时可带井下压力计验封[2]。

2)永久性封堵水层、漏失层等 在稠油井、大斜度井中,用液压坐封工具送进坐封;在新井、直井中,用电缆坐封工具送进坐封。工艺过程如下:下钻、校深、坐封、试压、投灰(或注灰)。

3)水平井封堵 液压坐封工具送进坐封。工艺过程如下:下钻、校深、坐封、试压。

4)选择性封堵油、气、水层 可取式桥塞与液压封隔器配合使用,对某一小层或某几个小层进行卡封,可实现对油、气、水层的选择性封堵。油管送进坐封,工艺过程如下：下钻、校深、坐封、试压。

3 桥塞关键部件强度校核

桥塞在井内丢手后，主要承受上压和下压， 因此在60MPa的上压作用和60MPa的下压作用下，桥塞关键部件的参数确定至关重要。

1)锚定件卡瓦的强度校核 经计算，卡瓦的工作应力σ=253N/mm2。查《机械工程材料手册》，卡瓦材料QT600-2的许用应力[σ]=370N/mm2。可见σlt;[σ]，故卡瓦能满足强度要求。

2)中心管危险断面的强度校核 经计算，中心管危险断面实际工作拉应力：σ=87N/mm2。设计中心管材料45号钢，查《机械设计手册》知σb=600N/mm2； 取安全系数为2， 则许用拉应力[σ]=300N/mm2。因σlt;[σ]，故中心管抗拉强度合格。

3)锁块的强度校核 经计算，实际挤压强度：

σj=475.3mm2

实际剪切强度：

τ=60.7N/mm2

锁块材料为35CrMo，查《机械设计手册》知σb=735N/mm2，取安全系数为n=1.3则[σb]=565.4N/mm2，则：

[σj]=1.5×[σb]=848.1N/mm2[τ]=0.8×[σb]=452.3N/mm2

可见，σjlt;[σj]，τlt;[τ]，故锁块强度能满足要求。

通过上面桥塞关键部件的校核，确定的参数是合理的，桥塞是是可以承受60MPa上压和60MPa下压的。

4 现场应用情况

该桥塞在反复试验、改进、完善的基础上,先后在多口井上进行了推广应用,均获一次成功。部份井施工数据数据见表1。

表1 可取式桥塞部份井现场施工数据表

现场应用情况表明, 新型双向承压可取式桥塞及配套工具结构合理，施工工艺简单易行，在后续措施施工过程中密封性能良好,起到了成功封堵底层和承受高压的作用。

5 结 语

新型双向承压可取式桥塞独特的结构使得桥塞起下顺畅,封堵可靠,解封便利,具有良好的双向承压能力, 可以很好地满足卡堵水、试油、酸化、压裂等施工的需要，并可有效简化施工工艺，降低作业成本,使用方便、安全可靠、功能齐全、适用范围广,它的应用从根本上解决了薄层封堵、深井及大斜度井封堵的技术难题,具有广泛的推广应用前景。

[1]赵远纲，王禄群，分层开采工艺管柱[M].北京：石油大学出版社,1994.

[2]谢建华, 刘崇江, 赵骊川，等. 桥塞压裂工艺技术[J]. 大庆油田地质与开发, 2004, 32(4): 38～39.

[3]濮良贵. 机械设计[M] . 北京:高等教育出版社,1993.

[编辑] 洪云飞

TE931.2

A

1673-1409(2009)02-N054-03

2009-02-23

徐兴权(1967-)，男，1989年大学毕业，硕士，高级工程师，现主要从事机械采油工艺技术方面的研究工作。