电缆坐封沉砂封隔器下滑原因分析与实验研究

靳荣博,徐凤祥,郑九洲,张文博,常志健,蔡东兴

(中海油田服务股份有限公司 天津分公司,天津 300459)

在海上油田常规完井工具中,沉砂封隔器用于套管井防砂管柱中,起到支撑管柱和隔离人工井底的作用[1]。沉砂封隔器有液压坐封和电缆坐封两种方式,液压坐封以水为介质,钻杆与坐封工具连接,在平台上向钻杆逐渐增大水压实现沉砂封隔器的坐封,而电缆坐封避免了逐节下入钻杆的繁琐工序,通过电缆送入沉砂封隔器,到达指定位置后,导通电流点燃坐封工具内的火药,火药爆炸产生推力使沉砂封隔器坐封。近年来关于沉砂封隔器失效报道较多,如渤海油田LD16区块某井在作业过程中出现沉砂封隔器未坐实现象,经分析原因为卡瓦上存在异物导致坐封力无法传递且坐封时间不足导致坐封不完全;LD52N区块某井在作业过程中出现坐封后验卡瓦异常现象,经分析原因为射孔后井内溢流返吐地层砂沉降在卡瓦处,沉砂封隔器坐封力不足导致卡瓦未完全张开。一些专家也分析了沉砂封隔器失效原因,并给出了相应的解决方案,柯康等[2]分析了沉砂封隔器在下入过程中失效问题,其原因是沉砂封隔器在下入过程中卡瓦提前张开导致失效,无法下到指定位置,采用根源分析法认为失效的原因是蜡块逐渐堆积的结果,并给出了严格控制下放速度、下入前保证井内清洁等解决措施。渤海油田的某热采生产井中出现了沉砂封隔器坐封后下滑的现象,本文以适用于φ244.5 mm套管井的热采沉砂封隔器为研究对象,分析沉砂封隔器下滑原因,并进行室内实验验证,为优化改进沉砂封隔器以及现场作业人员避免出现此类问题提供可行性参考。

1 电缆坐封沉砂封隔器结构及坐封原理

φ244.5 mm的热采沉砂封隔器内部结构如图1所示,由推筒、顶部接头、锁环、芯轴、胶桶、卡瓦、下接头等零部件组成,相关参数如表1所示,坐封工具采用贝克20#电缆坐封工具,其内部火药为ZHY2-3型慢燃火药。

表1 热采沉砂封隔器参数

图1 热采沉砂封隔器内部结构

选用内径为224.4 mm套管为实验套管,贝克电缆坐封工具通过电缆坐封适配器与φ244.5 mm热采沉砂封隔器连接,如图2所示,其坐封原理为:电流触发贝克电缆坐封工具上的桥塞点火器,桥塞点火器将慢燃火药点燃,火药产生的内能转化为推力通过电缆坐封适配器作用在热采沉砂封隔器的推筒上,推筒向前推动,启动剪钉被剪断,上下卡瓦逐渐张开并咬合在套管内壁上,同时挤压胶桶,使胶桶紧紧贴合在套管内壁上,胶桶的上端与下端形成两部分密闭的环空区域,上下卡瓦的咬合力达到峰值后丢手剪钉被剪断,火药燃尽后回收电缆及坐封工具,坐封完成。

图2 热采沉砂封隔器坐封原理

2 电缆坐封沉砂封隔器下滑原因

由于电缆坐封沉砂封隔器由上下卡瓦支撑[3-4],因此,卡瓦质量和上下卡瓦与套管的咬合力是决定沉砂封隔器下滑最主要的因素。

2.1 卡瓦质量检测

选取失效封隔器卡瓦,由外表面至芯部选取样品共7处,球柱直径为30 mm,套管内壁硬度均不大于30 HRC,检测结果如表2所示。

表2 失效封隔器卡瓦硬度检测结果

套管为BG110H钢级,由表2可知,卡瓦表面硬度与芯部硬度均符合卡瓦质量要求且均大于套管内壁表面硬度,因此该沉砂封隔器的卡瓦质量合格,卡瓦不是影响封隔器下滑的主要因素。

2.2 上下卡瓦咬合力影响因素

采用根源分析法分析影响上下卡瓦的咬合力有以下三点因素[5-10]：坐封时间、坐封力、卡瓦槽壁厚。

坐封时间是指封隔器坐封时启动剪钉剪断后,丢手剪钉剪断前的间隔时间,坐封时间过短可能会导致启动剪钉剪断后卡瓦与套管的咬合力未达到预定值就完成丢手,上下卡瓦无法承受防砂管柱的轴向应力导致沉砂封隔器下滑。

坐封力是指丢手剪钉剪断前,施加在沉砂封隔器使卡瓦咬合套管的最大轴向应力,若坐封力过小,可能会导致卡瓦与套管的咬合力未达到预定值或卡瓦未完全张开,导致沉砂封隔器下滑。

卡瓦槽壁厚是指卡瓦内壁到开槽口的最大距离,如图3所示,卡瓦槽壁厚影响使卡瓦张开所需的轴向力的大小,是坐封阻力之一,若卡瓦槽壁厚越厚,使卡瓦张开所需轴向力越大,当坐封力一定时,卡瓦与套管的咬合力越小。因此卡瓦槽壁厚影响卡瓦与套管之间的咬合力,是影响沉砂封隔器下滑的因素之一。

图3 卡瓦槽壁厚示意

3 室内实验验证

针对以上原因采用单一变量法设计室内实验,将下接头更换为堵头工装,以水为介质,在上打压口逐渐增加水压至20.7 MPa,并保压至少15 min。水压与轴向推力的转换关系如公式1所示。

(1)

式中:F为水压产生的轴向推力,kN;P为水压,MPa;r为套管半径,mm。

以下卡瓦下滑距离作为评价热采沉砂封隔器下滑位移量[11-12],水压产生的推力为408.66 kN。

3.1 坐封时间对上下卡瓦下滑距离的影响

保持其他影响因素不变,调整火药控制坐封时间分别为13.9、15.7、17.5、19.3、21.2 s,测量下卡瓦下滑距离,并绘制柱状图,如图4所示,由图可知坐封时间越长,下卡瓦下滑距离越小,当坐封时间超过17.5 s后,下卡瓦不再下滑,这是由于足够的坐封时间保证了上下卡瓦完全张开,上下卡瓦与套管的咬合力能够承受水压产生的推力,因此热采沉砂封隔器不再下滑。

图4 下卡瓦下滑距离随坐封时间变化曲线

3.2 坐封力对上下卡瓦下滑距离的影响

保持其他因素不变,分别测试坐封力为265.09、269.7、275.09、284.98、291.02 kN,测量下卡瓦下滑距离,并绘制柱状图,如图5所示,由图可知坐封力越大,下卡瓦下滑距离越小,当坐封力大于275.09 kN后下卡瓦不再下滑,这是由于足够的坐封力时保证了上下卡瓦能够紧紧咬合在套管内壁上,随着坐封力逐渐增大,上下卡瓦与套管咬合力逐渐增大,因此热采沉砂封隔器不再下滑。

图5 下卡瓦下滑距离随坐封力变化曲线

3.3 卡瓦槽壁厚对上下卡瓦下滑距离的影响

保持其他因素不变,分别加工卡瓦槽壁厚为3.5、3.0、2.5 mm的上下卡瓦并分别进行坐封实验,记录上卡瓦张开力,并绘制成柱状图,如图6所示,经测量3次实验下卡瓦均未下移,究其原因,虽然卡瓦槽壁厚逐渐变薄,上下卡瓦张开的力逐渐变小,但相比于坐封力而言,该力对卡瓦咬合套管力影响不大,因此卡瓦槽壁厚虽然一定程度上影响卡瓦与套管的咬合力,但对热采沉砂封隔器下滑影响并不显著。

图6 上卡瓦张开力随卡瓦槽壁厚变化曲线

4 结论

1)坐封时间对电缆坐封沉砂封隔器下滑影响显著,在火药燃尽时间内,有效坐封时间越长,电缆坐封沉砂封隔器越不易下滑。

2)坐封力对电缆坐封沉砂封隔器下滑影响显著,坐封力越大,卡瓦与套管咬合力越大,电缆坐封沉砂封隔器越不易下滑。

3)卡瓦槽壁厚对电缆坐封沉砂封隔器下滑影响不显著,卡瓦槽壁厚越薄,虽然一定程度上可减小坐封阻力,但在一定范围内,对卡瓦与套管的咬合力影响不大,不是影响电缆坐封沉砂封隔器下滑的主要因素。