新型液壓尾管釋放控制器的研制

摘 要

摘要：為解決過去深井、超深井、定向斜井、水平井以及頁巖氣水平井尾管懸掛固井中，采用旋轉倒扣和懸重判別釋放尾管所出現(xiàn)的“倒扣失效”和“判別失誤”技
摘要：為解決過去深井、超深井、定向斜井、水平井以及頁巖氣水平井尾管懸掛固井中，采用旋轉倒扣和懸重判別釋放尾管所出現(xiàn)的“倒扣失效”和“判別失誤”技術難題，開展了液壓尾管釋放和液壓判別技術研究。針對旋轉倒扣和懸重判別的技術缺陷，設計并采用了液壓鎖掛釋放尾管和泄壓判別尾管脫離的新方法，研制出了新型液壓尾管釋放控制器：在送入管柱與尾管之間設置了鎖掛連接及鎖控機構，連同尾管懸掛管柱下入井內，通過井口投球、液壓懸掛、加壓解鎖，使鎖掛收縮復位釋放尾管；再通過穩(wěn)壓上提管柱使插入管解封泄壓，觀察管內壓力明顯下降即可判定尾管釋放成功。呆用該新型液壓尾管釋放控制器，在復雜井況的尾管釋放作業(yè)中不需倒扣，操作簡便、安全可靠，可避免以往提前下鉆稱重的繁瑣環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。應用結果表明：該新方法的采用改進了尾管釋放技術，達到了提高尾管懸掛固井質量的目的。
關鍵詞：深井；定向斜井；頁巖氣水平井；液壓尾管釋放；液壓判別；控制器；研制；提高固井質量
    目前，深井、超深井、定向斜井、水平井越來越多，特別是頁巖氣水平井也在逐步增加，尾管懸掛固井長期采用的旋轉倒扣釋放尾管技術已面臨挑戰(zhàn)[1～4]。由于井況日趨復雜，尾管釋放中倒扣和懸重判別的難度加大，有的井旋轉倒扣幾百上千轉依然不能順利脫扣，起鉆時常有粘、卡、掛、帶尾管的現(xiàn)象。為盡量找準中和點倒扣，需專門提前下鉆稱重，測取送入鉆柱重量和旋轉參數，操作特別繁瑣，耗費了大量的時間和成本，施工質量仍然得不到保證。因此，解決上述各種類型井的尾管釋放技術難題[5～10]，研制新型的尾管釋放裝置及判別方法已成為當務之急。
1 尾管釋放作業(yè)的影響因素及技術難點
1.1 不同類型井對尾管釋放成功率的影響
   頁巖氣井由于鉆遇地層疏松，井壁容易垮塌，如垮塌物進入喇叭口就可能阻卡旋轉倒扣，甚至粘卡尾管隨鉆柱轉動使垮塌加重或堵塞環(huán)空影響注水泥施工。深井、超深井的送尾管鉆柱過長過軟，使旋轉扭矩傳遞和中和點判別誤差增大，井口很難把握和判斷實際的倒扣狀態(tài)，影響倒扣成功率。斜井、水平井由于井斜度過大，使井內管柱彎曲，在軸向拉壓、扭矩和彎曲應力的影響下，使螺紋受力不均，容易粘扣，井斜摩阻增大，懸重判斷失真，嚴重影響倒扣成功率。特別是在較深的頁巖氣水平井中進行旋轉倒扣釋放尾管作業(yè)，將面臨多種難度及風險。因此，如何提高頁巖氣水平井、大斜度深井的尾管釋放旋轉倒扣和懸重判別成功率是一個急需解決的問題。
1.2 旋轉倒扣、懸重判別的技術難點
    常用尾管釋放技術采用反向螺紋連接、正向倒扣釋放尾管和懸重判別尾管脫離的方法。當旋轉倒扣處于深井、斜井、水平井或頁巖井復雜條件影響下，使中和點或扭矩失真，旋轉倒扣容易出現(xiàn)粘、卡、掛、磨的異?，F(xiàn)象：在多向應力狀態(tài)反復旋轉倒扣無松動為粘扣；在外物阻卡狀態(tài)反復旋轉倒扣不脫離為卡扣；在旋轉倒扣不充分狀態(tài)使余扣粘掛為掛扣；在旋轉倒扣過分狀態(tài)使余扣磨損為磨扣，此類異常促使倒扣失效。同時，在復雜情況下依靠懸重判別尾管脫離也十分困難，由于提前專門下鉆稱重和測取的參考數據與實際狀況的偏差大，使懸重判斷失真，起鉆容易發(fā)生判別失誤或攜帶尾管的現(xiàn)象，特別在尾管短、重量輕，井斜摩阻變化大的情況下更容易出錯。因此，旋轉倒扣失效和懸重判別失誤是旋轉倒扣尾管釋放技術的主要難點。
2 尾管釋放技術創(chuàng)新思路
    針對上述技術難點，將原有旋轉倒扣和懸重判別方法改變?yōu)橐簤烘i掛和液壓判別方法。在送入管柱與尾管之間設置鎖掛連接和液壓鎖控機構，連同尾管柱下入井內，通過井口投球、液壓懸掛、加壓解鎖，使鎖掛收縮復位釋放尾管，再通過穩(wěn)壓上提管柱使插入管解封泄壓，觀察管內壓力明顯下降判定尾管脫掛成功，再繼續(xù)加壓使球座下行至泄壓膠塞開通循環(huán)注水泥。尾管釋放控制與懸掛控制和膠塞控制構成綜合控制系統(tǒng)，使尾管入井、懸掛、釋放和開通循環(huán)安全可靠，滿足了施工要求。
2.1 尾管鎖掛連接及液壓控制機構設計
    在尾管送入器的插入管下端設置鎖掛機構連接殼體及尾管，鎖掛下部設置環(huán)形分布的彈性掛鉤，內部設置鎖筒滑動擴張掛鉤與殼體掛接并鎖緊，控制尾管入井懸掛，讓掛鉤處于卸載狀態(tài)，利用液壓懸掛解控裝置的向下運動，即加壓使球、球座、滑套繼續(xù)下行推動鎖筒向下解除鎖掛控制，使彈性掛鉤自動收縮復位脫離殼體及尾管，以實現(xiàn)尾管的鎖掛控制及液壓釋放功能。這樣，可避免為找中和點專門起下鉆稱重的繁瑣和倒扣的困難，操作簡便，節(jié)省時間和成本。
2.2 尾管釋放液壓判別方法設計
    設計使尾管釋放的控制壓力與開通循環(huán)控制壓力之間保持一定的壓力級差，在實施液壓尾管釋放后保持管內壓力不變的狀態(tài)下，采取上提管柱使插入管下端解除密封泄壓、通過井口觀察管內壓力顯示是否明顯下降來判斷尾管是否脫掛，得出明顯脫掛結果后再加壓開通循環(huán)進行注水泥施工。這樣可克服以往懸重判別尾管脫離的操作和判別失誤。
3 新型液壓尾管釋放控制器的研制
3.1 基本結構
液壓尾管釋放控制器基本結構如圖1所示，主要由送入器(插入管)，懸掛器(錐體、卡瓦、液缸、中心管、雙公短接、套管短接)，鎖掛機構(殼體、鎖掛、鎖套、鎖筒、鎖帽)和解鎖機構(球、球座、滑套)等組成。
 

3.2 作用原理
    將液壓尾管釋放控制器安裝于尾管懸掛器，下端連接尾管短接及尾管，上端連接懸掛器、插入管及鉆桿柱，一同下入井內設計位置，懸掛作業(yè)時從井口投球坐封球座(圖1)，向管內加注一定液壓，使球座帶動滑套下行剪斷銷釘，打開液缸傳壓通道解除懸掛控制，加壓推動液缸活塞及卡瓦上行實現(xiàn)尾管懸掛；再加注一定液壓使球、球座及滑套繼續(xù)向下推動鎖帽及鎖筒下行剪斷銷釘解除鎖掛控制，使彈性鎖掛自動收縮復位脫離鎖套、殼體及尾管的掛接，實現(xiàn)尾管液壓解鎖釋放功能；保持此液壓狀態(tài)上提鉆柱一定高度使插入管下端解封泄壓(圖2)，觀察壓力顯示是否明顯下降即可判斷釋放尾管是否成功。判定成功再加注液壓使球座剪斷銷釘下行至泄流膠塞，開通循環(huán)孔注水泥，然后投放鉆桿膠塞帶動泄流膠塞下行至膠塞座碰壓自鎖控制水泥漿回流，以保證固井施工質量。

4 結論
    1) 新型液壓尾管釋放控制器的研制成功，主要解決了尾管懸掛固井中長期存在的“旋轉倒扣失效”和“懸重判別失誤”的技術難題，克服了深井、超深井、斜井、水平井以及頁巖氣水平井中由于井深管柱過長、井斜度過大或地質疏松井壁垮塌等復雜情況對尾管釋放的嚴重影響和實施困難，技術上取得了重大突破，特別為目前頁巖氣水平井的快速發(fā)展提供了新型產品，在未來的實際應用中將產生良好的技術效果和經濟效益。
   2) 液壓尾管釋放及液壓判別方法填補了尾管釋放方法的技術空白，創(chuàng)新點在于針對長期采用的旋轉倒扣和懸重判別方法存在的技術缺陷，提出了液壓尾管釋放及液壓判別的新方法，避免了尾管釋放中出現(xiàn)粘、卡、掛、帶尾管的現(xiàn)象，方法簡便、實施容易，可以防止事故、節(jié)省成本，保證和提高固井質量。
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(本文作者：陳玉書 中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)