适用于高压气井的管柱内封堵工具设计

□ 何莎莎 □ 陈晓军 □ 米凯夫 □ 李 萌 □ 王洋绅 □ 王兴燕

中国石油集团工程技术研究院北京石油机械有限公司 北京 102206

1 设计背景

随着带压作业增多，特别是气井的带压作业需求增多，作业的配套装备需求也逐渐增多。带压作业的关键技术是井下压力控制，带压作业装备井口防喷装置可以实现油气管、套管之间环形空间的压力控制，因此油气管内腔的压力控制成为带压作业关键技术中的关键。目前，国内带压作业装备生产企业主要针对油水井带压作业［1-5］，装备性能还无法完全满足气井带压作业的需求，在管柱内封堵工具方面几乎完全依赖进口。为了打破对国外技术的依赖，笔者设计了一种稳定可靠、能承受70 MPa高压的管柱内封堵工具。

2 结构设计

管柱内封堵工具结构如图1所示，主要由工作筒、堵塞器本体和P型杆组件三部分组成。工作筒上下为标准油管螺纹，内有与卡瓦配合的键槽。堵塞器本体由阀帽、密封圈、衬管、卡瓦套、卡瓦、片簧、滑套和上接头组成。堵塞器本体的阀帽有四个泄压孔，下放时能保持上下压力平衡，保证卡瓦在预定位置张开锚定在工作筒内，堵塞器本体实物如图2所示。P型杆组件由压帽、密封圈和P型杆组成，P型杆组件实物如图3所示。

密封性能主要取决于工具的密封结构。常规的内封堵工具只能达到35 MPa的密封能力，抗压能力弱，对气井的效果有限，易在作业过程中发生泄漏［6］。笔者针对内封堵工具的密封性要求，研制了多级组合密封圈，采用60°和90°V形密封圈配合使用。考虑到井内上下都有压力，设计为三个一组或四个一组的对称分布，V形密封圈的两端和中间采用硬度较高的塑料制品进行支撑分隔，同时可以增强密封圈的抗压能力。

3 工作原理

▲图1 管柱内封堵工具结构

应用管柱内封堵工具时，预先将工作筒连接在油管上，下放到井内的预定位置。将堵塞器本体与下入工具连接，然后再连接工具串一起下井［7］。堵塞器本体的卡瓦有三种状态，如图4所示。在下井过程中，卡瓦及其下入工具处于选择状态。当工具串下放并穿过要投放的工作筒后，上提工具串到工作筒上部，在此过程中，下入工具及卡瓦由选择状态变为非选择状态，卡瓦弹出，此时继续下放工具串，卡瓦可坐封在工作筒内。当上接头和滑套下放到底时，取出下入工具，卡瓦处于锁定状态。再用下入工具将P型杆组件下放至堵塞器内，P型杆组件的密封圈封堵堵塞器本体阀帽上的四个泄压孔，以隔绝井下压力。作业完成，打捞内封堵工具时，下放配套打捞工具，打捞爪卡住P型杆上端打捞颈部位，上提取出P型杆组件。更换打捞头再次下放打捞工具，打捞头与上接头的打捞处卡紧，震击上接头，震松卡瓦，上提上接头，卡瓦从锁定位置被弹出，直至完全缩入，继续上提使堵塞器本体与工作筒脱离。

▲图2 堵塞器本体实物

▲图3 P型杆组件实物

4 主要技术参数

管柱内封堵工具的主要技术参数见表1。

表1 管柱内封堵工具技术参数

与常规内封堵工具相比，管柱内封堵工具结构和作业方式一致，借助常规钢丝作业的工具就能实现下放和打捞。基于高压气井的带压作业，管柱内封堵工具中密封圈结构的设计及其材质的选择具有决定意义，是实现带压作业的关键。此外，带压作业时常伴有高温、腐蚀介质等恶劣情况。

5 关键零部件分析

卡瓦主要用于定位、防止堵塞器脱落和承载。卡瓦在片簧和滑套的配合作用力下，可以实现径向收缩和弹出［8-10］。笔者设计的管柱内封堵工具下放时，卡瓦处于收缩状态。当卡瓦与工作筒内键槽完成配合，并向下震击推动滑套时，片簧驱动卡瓦径向扩张，同时滑套外齿进入卡瓦内齿下部与其紧密配合，防止卡瓦松动。卡瓦外锥面与工作筒内键槽限位处卡住，实现锁定。应用ANSYS软件对卡瓦和相关接触零件进行70 MPa应力下的有限元分析，结果如图5、图6所示。

通过有限元分析可知，在最高工作压力70 MPa下，卡瓦、工作筒、衬管和滑套选择屈服强度高于分析结果的材料，就是安全可靠的。

6 气密封试验

为了测试工具的性能，将堵塞器本体坐封在工作筒内部，推动滑套，成功使卡瓦弹出，并与工作筒内的键槽配合。将P型杆插入堵塞器本体内部，将装好的工作筒两端装上试验接头，一端与气密封检测系统相连，另一端连接压力表，观察试验时是否有压力泄漏，如图7、图8所示。

▲图4 卡瓦状态

▲图5 卡瓦相关接触零件应力分布

▲图6 卡瓦接触应力分布

经过多次反复试验，管柱内封堵工具能在最大密封压力70MPa下可靠密封，未见泄漏和降压现象。

试验后，将P型杆拔出，外拉上接头将滑套拉出，卡瓦在片簧作用下顺利回弹，继续外拉，成功将堵塞器本体拉出工作筒。

7 结论

使用通用钢丝工具即可将所设计的管柱内封堵工具下放到位，能轻松实现堵塞器的开启与关闭，操作简单。

管柱内封堵工具依靠滑套的移动驱动片簧，实现卡瓦的三种状态，动作准确、可靠。

管柱内封堵工具中的密封结构所优选的密封圈，能实现70 MPa压力下的密封性，可长时间封堵不泄漏。

▲图7 气密封试验原理

▲图8 气密封试验现场

当然，仍需要进行现场应用试验，以进一步验证管柱内封堵工具的实际工作效果。