桥塞封堵管柱优化设计及应用.doc

桥塞封堵管柱优化设计及应用
杨帆1，2 夏奡2 梁华歆2 严利民2
（1.中国石油大学（华东） 266555；2．吐哈油田井下技术作业公司 新疆鄯善 838200）
摘要：常规可钻桥塞存在易中途坐封、丢手困难的问题，故作业风险大、操作要求高。为此,对原有管柱结构进行了优化设计，对送塞工具予以改进，在管柱结构中增加了常开阀，从而降低了对施工人员的要求及施工难度,最大限度地避免桥塞下入过程中的坐封事故。通过现场应用，取得了显著的效果。
关键词：可钻桥塞 管柱结构 优化设计 常开阀

在井下作业技术中，封层是分层注水、分层生产及封闭水层、分层压裂酸化、封闭干层和封闭废弃层等的一项非常重要的作业工序。常采用的封堵工艺为打水泥塞和桥塞。
而对于地层压力较高、漏失量大等层间矛盾突出的井，无法注水泥塞只能采用打桥塞。但在使用中，存在桥塞丢手压力偏高、易中途坐封的问题。通过表1温米油田2010年施工统计可得出：作业风险大，操作要求高。
表1 2010年区域桥塞施工情况统计表
作业
井次
平均
井深
平均下
钻时间
丢手压
力/MPa
验封合
格井次
验封不合格井次
11
2379m
6.5h
28
9
2

通过对桥塞结构原理的分析，对封堵管柱结构组合进行了优化改进，克服了丢手压力高、易中途坐封的缺憾，施工降低了桥塞封堵的作业风险,提高了施工成功率。
1 原管柱结构及工作原理
1.1 桥塞结构：桥塞主要由坐封机构、锚定机构、密封机构等部份组成。如图1，采用整体式胶筒和平滑金属背圈组成可靠的密封系统，实现可靠密封。 图1 桥塞结构示意图
1.2 原有送塞工具结构图：

图2 送塞工具结构图
1.3 原管柱结构：桥塞1具+送塞工具1具+Φ73mm（加）油管
1.4 坐封原理：将液压坐封工具与桥塞相连接，坐封时，坐封套抵住桥塞外部各组件，而拉杆则提拉桥塞中心管，使卡瓦坐住，咬在套管壁上，胶筒胀大，桥塞被压缩坐封，给剪切环加一预定的拉力，剪切环被拉断，坐封工具就可以从桥塞上退出。
从工具结构及丢手坐封原理可以得出，桥塞丢手压力高、不易丢手的原因是：
（1）、修井液脏杂质堵塞心轴，造成压力无法传递到活塞外筒；
（2）、由于该桥塞采用一级活塞推动活塞外筒下移，推力不够造成桥塞丢手压力过大，在现场无法丢手时需要上提负荷丢手，存在安全隐患。
（3）、桥塞球座位置多次投球打压会造成端面密封失效，丢手时压力打不起，造成无法丢手。
当流体水平流动或高度的影响不显著时,结合伯努利方程W=E2-E1 (p1-p2)ΔV=ρ(-))ΔV+ρg(h2-h1)ΔV ，该式的含义是:在流体的流动中,压强跟流速有关,流速V大的地方压强p小,流速V小的地方压强p大。原有桥塞送入工具过流面积小，在下入过程中，同一深度，环空相对流速大于油管内流速，即V（环空）﹥V（管内），故P（环空）﹤P（管内），从而产生压差，迫使坐封工具的活塞与芯轴产生相对运动,，造成中途坐封。
2 管柱结构优化设计
2.1送塞工具改进：
（1）、将原送塞工具一级活塞改为三级活塞液缸，增加了推力，降低了桥塞丢手压力。
（2）、针对井液脏、杂质堵死活塞芯轴，导致压力无法传递、桥塞无法丢手的问题及球座多次坐封后端面损坏、压力打不起来的问题。在丢手工具上部加装了一只常开阀，用于下钻过程中建立循环通道。
（3）、针对新送塞工具没有球座无法投球打压坐封的问题，将送塞工具下部的转换接头加工为死通道，采用常开阀打压过程中滑套关闭，压力下行产生的推力来推动桥塞坐封。
2.2 常开阀结构：由阀体、阀芯、阀套、弹簧及密封圈组成。
下钻由旁通提供管柱内外井液通道，阀芯处于上部位置，此时旁通孔道开启，当井液排量达到一定值时，节流压力使阀芯下移，此时旁通孔封闭，达到密封作用。停泵放压后，弹簧再次将阀芯顶回到上部，旁通孔又被开启，使管柱内与环空中的工作液连通。
图3 常开阀结构图

（1）、工作原理：在正常下钻过程中，阀芯处于开位，此时旁通阀孔道开启，油、套畅通，在管柱下到预定位置需要对管柱进行试压时，地面水泥车打压，在压差作用下，阀芯向下移动，关闭旁通阀，此时可以对管柱进行打压，试压结束后，在弹簧力的作用下，阀芯上移，此时旁通阀孔道开启，油套再次实现畅通。
（2）、设计参数：
a、工作压力70MPa，最高温度120℃；
b、常开式，可通过流量变化和压力变化达到自动、多次反复打开或关闭，关闭压力小于5MPa。
c、规格：通径不小于20mm；两端连接丝扣为API 2.7/8″外加厚油管扣。
d、使用环境：油、气、水和泥浆、浓度小于15%的酸液。
2.3 改进后管柱结构：可钻式桥塞1具+送塞工具1具+Φ95mm常开阀1个+Φ73mm（加）油管。
2.4 桥塞丢手原理：在正常下钻过程中，阀芯处于开位，此时旁通阀孔道开启，油、套畅通，在桥塞下到预定位置时，地面泵车打压，在压差作用下，阀芯向下移动，关闭旁通阀，压力下行推动桥塞坐封。
3 现场应用：优化后，可钻式桥塞封堵技术共应用8井次，施工成功率为100%，纯下钻时间减少1.2h/千米，丢手最高压力为22MPa。
温南6-1井桥塞丢手应用举例：
① 按设计要求下桥塞到位，管柱结构为： 51/2in可钻式桥塞1具+Φ108mm送塞工具1具+Φ95mm常开阀1个+Φ73mm（加）油管。桥塞位置：2279.88m。
② 坐封、丢手：连接管线并试压合格后，先灌满套管再从油管依次打压5MPa、10MPa、15MPa、18MPa，各压力点稳压5min，继续从油管打压至20MPa，压力突然落零，套管返液，桥塞丢手。
③ 探试塞：下放管柱，加压11T，复探三次深度不变。从油管打压20MPa，30min，压力不降，探试塞合格。
4 结论
4.1 优化设计解决了原送塞工具使用中丢手压力高的缺陷，取消了原有管柱下到位后投球、沉球时间，避免了因误投钢球造成的中途坐封、球座多次打压后密封不严等问题。
4.2 下工具时可以进行循环压井，解决了井控问题。
4.3 常开阀的设置，保证了下钻时的油套畅通，减小了激动压力差可能造成的中途坐封，从而对解决漏失井打桥塞具有重要意义。

参考文献：
[1] 周承民,刘志华,刁刚田,等.QSA型可捞可钻式桥塞的设计与应用 [J].石油矿场机械,2004,33(3):90-91.
[2] 范兴亮，何春容.可钻式桥塞的另一种处理办法〔J〕.钻采工艺，2002，25（3）：25-26.
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