新型临时封井工具研制与应用

李 勇 董海宽 刘国振 张新平 华泽君 卢 艳 郭龙龙

(1.中海油田服务股份有限公司 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司 3. 西安石油大学机械工程学院)

0 引 言

海上油气井老旧采油树改造、更换和维修时，需要实施临时封井作业[1-2]，而陆上油气井常用的封井器[3]、可钻桥塞注水泥[4]、水泥承留器[5]等封井措施无法满足海上油气井的临时封井要求。目前，海上油气井的临时封井方法包括套管封井帽封井[6]、RTTS封隔器+风暴阀封井。其中，套管封井帽封井的结构比较简单，但存在较大的安全、环保风险，例如套管密封盘根采用挤压式密封，套管内表面粗糙度、套管变形等制约了密封效果[7-8]。采用RTTS封隔器+风暴阀封井时，需要上提、旋转、下放管柱，利用管柱自身重力使封隔器坐封，为了保证封隔器能坐封并获得良好的密封性能，对封井管柱的最小自重有要求，导致封井管柱长度较大，作业效率低、成本高[9]。因此，亟需研发新的封井工具，实现海上油气井高效、安全的临时封井作业[10-14]。

针对海上油气井水下设备改造、更换作业的临时封井特点，笔者研制了新型临时封井工具。该工具采用液压方式进行坐封，利用液压或机械方式脱手，上提管柱实现解封、回收。室内试验和现场应用结果表明，该封井工具可以有效封闭油管、套管环空，坐封、解封、回收安全可靠，其克服了传统临时封井方法受限于坐封井深、存在井控和环保风险的不足。

1 技术分析

1.1 结构

该封井工具主要由液压坐封封隔器+可开关球阀、封隔器坐封工具+球阀开关工具、回收工具3部分构成，如图1和图2所示。其中，液压坐封封隔器+可开关球阀主要由上接头、连接套、坐封锁定机构、胶筒、卡瓦、密封筒、球阀等零部件构成；封隔器坐封工具+球阀开关工具主要由坐封活塞、坐封套、脱手活塞、坐封球座、连接杆、密封单元、球阀开关工具等构成；回收工具主要由上接头、活动座、活动支撑杆、打捞杆、弹簧、解封凸块、紧急脱手机构、连接杆、密封单元、球阀开关工具等构成。工作时，液压坐封封隔器与封隔器坐封工具配合使用，实现坐封、封井；两者丢手、脱离后，留液压坐封封隔器在井筒内封井。重启井时，回收工具与液压坐封封隔器配合使用，驱动液压坐封封隔器解封、并将其携带至井口。以ø244.475 mm(9in )套管配套的临时封井工具为例，对应液压坐封封隔器+可开关球阀总长度为4.5 m、最大外径214 mm、压力等级35 MPa、温度等级180 ℃。

1—上接头；2—连接套；3—坐封锁定机构；4—胶筒；5—卡瓦；6—密封筒；7—球阀；8—球阀开关工具；9—密封单元；10—连接杆；11—坐封球座；12—脱手活塞；13—坐封套；14—坐封活塞。

1—上接头；2—活动座；3—活动支撑杆；4—打捞杆；5—弹簧；6—解封凸块；7—紧急脱手机构；8—连接杆；9—密封筒；10—球阀开关工具。

1.2 工作原理

1.2.1 坐封封隔器、验封及脱手

当临时封井时，用钻杆或油管将临时封井作业管柱送入设计深度，投空心坐封球至球座位置[15]，向钻杆内泵送高压液体，高压液体推动右侧活塞向左运动，剪断坐封销钉，坐封锁定机构释放。同时，坐封套推动封隔器压环，相对于中心管的螺纹下行，从而坐封封隔机构和锚定机构。封隔器上的坐封锁定机构随封隔机构和锚定机构的坐封，将坐封力锁定，使封隔器达到完全坐封。向套管与钻杆环空泵送高压液体，验证封隔器胶筒的密封性能。

封隔器坐封后，封隔器坐封工具脱手包括2种方式：一种是泵压持续增加，液体压力作用于脱手活塞左侧，驱动脱手活塞剪切脱手销钉，当压力达到一定值时，剪切销钉被剪断，脱手活塞撞击支撑环，并推动其向右运动，致使支撑环脱离左旋连接螺纹内表面，上提服务管柱，左旋连接螺纹向内回缩，实现脱手；另一种方式是正向旋转服务管柱，驱动左旋螺纹退出啮合，实现机械脱手。

1.2.2 验证球阀密封性能

脱手完成后，上提管柱，球阀关闭机构凸台与开关工具凹槽配合，带动球阀关闭机构上行、关闭球阀。向套管与钻杆的环空内泵送压力液，即可验证球阀的密封性能，如图3所示。

图3 脱手后密封性能测试Fig.3 Sealing performance test after removal

1.2.3 回收封井工具

当封井结束后，通过钻杆将回收工具送到临时封井工具坐封位置。同时，回收工具下部的球阀开关工具驱动球阀打开，以平衡环空与地层压力。待井筒压力平衡后，上提回收工具，回收工具的分瓣解封凸块上行，带动解封环上行，实现封隔器解封。解封后，上提管柱剪断紧急脱手机构，左旋分瓣螺纹与封隔器上的螺纹啮合；继续上提管柱，左旋分瓣螺纹下的活动支撑杆在打捞杆上定位，通过左旋分瓣螺纹进行管柱的打捞回收工作。

1.3 关键技术

1.3.1 防提前坐封装置

封隔器坐封工具和球阀开关串联在一起，通过坐封工具左旋连接螺纹与封隔器螺纹连接，防提前坐封机构与锁定凹槽配合，实现防止封隔器提前坐封的功能。解决了传统的RTTS封隔器下入过程中封隔器提前坐封的难题。

1.3.2 正转和液压脱手装置

正常情况下，通过管柱内正加压，坐封工具即可实现脱手。若出现意外情况，加压不能脱手时，正转管柱，驱动卸螺纹，实现坐封工具的脱手。

1.3.3 解封安全机构

通过回收工具的凸块，带动解封环上行。解封安全机构位置如图4所示。解除封隔器内部和外连接套的锁定，使封隔器中心管上行，封隔器胶筒、卡瓦解封。

图4 解封安全机构Fig.4 Unsealing security mechanism

1.3.4 沉砂收集装置

沉砂收集装置如图5所示。可开关球阀的上部设计有沉砂收集装置，该装置两端设有密封胶圈，可防止砂子进入球阀，以确保回收工具下部的球阀开关工具能够将球阀顺利打开，从而保证解封之前能够平衡地层压力。

图5 沉砂收集装置Fig.5 Sand collection device

2 室内测试

为验证临时封井工具的可行性、可靠性，确定封隔器坐封力、脱手压力，在天津市滨海新区中海油服工程技术作业中心车间库房进行了室内测试，如图6所示。具体测试流程为：①液压坐封封隔器坐封力测试；②坐封工具脱手测试；③坐封完成，将坐封工具脱手后，进行封隔器正反向耐压测试。

图6 试验准备过程Fig.6 Test preparation process

试验不同阶段测得的压力值，如表1所示。坐封、密封测试阶段的压力降满足标准。试验结果表明：液压坐封封隔器坐封力不小于18 MPa；正加压25 MPa，即可脱手坐封工具；封隔器坐封后，可承受正、反向35 MPa的压力，表明此工具有良好的密封性能。

表1 试验测试数据Table 1 Table of experimental testing data

3 现场应用

某海上气井于1986年投产，于2019年10月检泵作业结束后生产。随着持续生产，井下压力显著下降，产量逐渐减少，长期处于低产状态。2023年4月对该井进行换层作业后，进行临时封井，并更换新的油管四通。

更换完油管四通后，组下回收管柱，回收临时封井工具。回收管柱组合为封隔器回收工具+ø87.5 mm (3in)钻杆。下钻到位，测上提下放；继续下放管柱，到位后下压5×104N，上提管柱至10×104N，确认回接成功；关闭万能防喷器，继续上提管柱至24×104N，解封液压封隔器。起钻到井口，现场检查临时封井工具外观良好。

4 结 论

(1)研制的新型临时封井工具，采用油管或钻杆均可实现封井管柱的坐封、脱手和回收，不需要配重油管和钻杆，管柱整体较短。正常施工中通过管柱泵送压力业实现封井和脱手，不需要旋转管柱。

(2)临时封井工具坐封后实现双向锚定和密封，具有坐封力锁定功能，在未解封情况下，坐封力保持恒定，直至封井工具解封，坐封力解除。

(3)临时封井工具坐封位置不受井筒长度影响，工具下端可连接油管延伸至井下。