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      油管扣氣密檢測(cè)工藝及工具研制

      2019-05-30 09:09:24李清濤黃毓祥張璽亮劉傳剛
      石油礦場(chǎng)機(jī)械 2019年3期
      關(guān)鍵詞:氣密心軸膠筒

      李清濤,黃毓祥,陳 杰,張璽亮,劉傳剛

      (中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司, 天津 300452)

      隨著國(guó)際能源需求的增加,石油天然氣勘探開發(fā)不斷深入,井下工作環(huán)境復(fù)雜多變,油氣井開發(fā)越來(lái)越受到重視。氣井、深水井的開發(fā)不同于普通油井開發(fā),尤其是含有腐蝕性氣體的氣田,對(duì)生產(chǎn)管柱密封性能要求嚴(yán)苛。日趨惡劣的開采環(huán)境對(duì)石油管接頭[1-3]的密封性能提出了更高的要求,具有較高氣密性的油套管接頭[4-6],例如法國(guó)的WAM、阿根廷的3SB、日本的TM和FOX扣等在油氣井開采中應(yīng)用日益廣泛。雖已形成規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn),但伴隨著油套管接頭的多次應(yīng)用,以及現(xiàn)場(chǎng)工況載荷條件的限制[7],生產(chǎn)過程中的油管滲漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,許多井存在井口油套帶壓現(xiàn)象,壓力波動(dòng)。如果氣體存在腐蝕成分,嚴(yán)重影響套管安全,存在重大安全隱患。如果引起套管變形,控制天然氣的油套管出現(xiàn)問題,井內(nèi)天然氣無(wú)法控制,后續(xù)工程施工無(wú)法保障,將對(duì)環(huán)境和社會(huì)造成不可預(yù)測(cè)的安全隱患。

      現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)密封檢測(cè)作業(yè)采取每下入約50根油管后,投入堵塞器,進(jìn)行水密封試驗(yàn),即使水壓試驗(yàn)合格,也有可能還會(huì)出現(xiàn)油套帶壓的問題。因?yàn)樗肿恿恳h(yuǎn)大于天然氣的分子量,水不能穿透過的微間隙,天然氣能夠輕易穿透。因此,在含有天然氣井中,生產(chǎn)管柱使用水介質(zhì)來(lái)進(jìn)行試壓,其效果是非常不理想的,和氣井密封要求相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于生產(chǎn)管柱氣密扣的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),還沒有一套能夠被行業(yè)內(nèi)普遍接受的手段、方法[8-11]和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),可以說(shuō)這部分工作在國(guó)內(nèi)剛剛起步。為了保證生產(chǎn)管柱在井下的安全,研究油管螺紋的氣密封性檢測(cè)技術(shù)極具必要性。中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司以現(xiàn)有氣體增壓設(shè)備和檢測(cè)儀器為主[12-15],研制配套管內(nèi)封隔器和管外檢測(cè)密封工具及其他配套工具,形成了一套油管扣密封檢測(cè)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)在生產(chǎn)管柱下入時(shí)高效、快速、安全地對(duì)氣密扣進(jìn)行密封性能檢測(cè),達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用的條件。

      1 氣密檢測(cè)原理

      為保證入井管柱的完整性,油管在井口連接,要保證其氣密性良好,螺紋連接處是薄弱點(diǎn),需采取合理的檢測(cè)手段對(duì)其檢測(cè)?,F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求操作簡(jiǎn)便,不過多占用機(jī)時(shí),且判斷準(zhǔn)確。傳統(tǒng)的濕式氣密性檢測(cè)方法有浸水法和氣泡法,這2種方法都需要將被測(cè)件浸沒在水中,或?qū)⒎试硭吭诒粶y(cè)物表面,觀察被測(cè)件外表面是否有氣泡產(chǎn)生,濕式法存在效率低、不能定量分析等缺點(diǎn),不符合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求;干式氣密性檢測(cè)法對(duì)被測(cè)工件內(nèi)充氣,通過測(cè)量?jī)x器檢測(cè)工件內(nèi)或外表面氣體,判斷氣密性。氦氣檢測(cè)法是干式氣密檢測(cè)的方法之一,氦氣分子直徑小,僅大于氫,易于沿微細(xì)間隙通道滲透,如表1,且氦氣是惰性氣體,對(duì)人無(wú)毒,對(duì)金屬管材無(wú)損傷,無(wú)腐蝕、安全清潔,具有反應(yīng)時(shí)間快,檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn),符合現(xiàn)場(chǎng)需求,故根據(jù)氦氣檢漏的原理進(jìn)行油管扣氣密性檢測(cè)工藝技術(shù)研究。

      表1 不同介質(zhì)的滲透率(25 ℃,與氦氣對(duì)比)

      油管扣氦氣檢漏工藝流程如圖1~2。

      1) 油管在井口連接并緊扣后,在接箍外罩上集氣罩。

      2) 用氣動(dòng)絞車將檢測(cè)封隔器從油管頂部放入到接箍位置,使油套管連接螺紋處于封隔器的上、下膠筒中間的位置。

      3) 漲封密封膠筒,封隔器坐封完成后,保持坐封通道壓力不變。往封隔器和油管的密封環(huán)空注入高壓氮氦混合氣,用檢測(cè)儀在集氣罩中檢測(cè)是否存在氦氣。

      4) 檢測(cè)完畢后,先釋放油管與封隔器環(huán)空壓力,再釋放封隔器坐封壓力,封隔器膠筒自動(dòng)彈回,封隔器實(shí)現(xiàn)解封,取出封隔器。

      5) 進(jìn)行下一根油管檢測(cè)作業(yè)。

      圖1 油管扣檢測(cè)流程

      圖2 油管扣氣密檢測(cè)工藝技術(shù)原理

      2 關(guān)鍵工具研制

      2.1 工具結(jié)構(gòu)及原理

      根據(jù)油管扣氣密檢測(cè)工藝技術(shù)的原理,設(shè)計(jì)氣密檢測(cè)封隔器的結(jié)構(gòu),如圖3所示,由提升系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、活塞系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、心軸等組成。提升系統(tǒng)由懸掛頭、提升頭、鋼絲繩組成;密封系統(tǒng)采取上下雙膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);活塞系統(tǒng)由連接套、彈簧、活塞、活塞套組成;鎖緊系統(tǒng)由調(diào)節(jié)環(huán)、鎖緊套組成??刂铺嵘到y(tǒng)將封隔器下入到油套管內(nèi),使封隔器的上下膠筒處于油套管螺紋的兩側(cè);密封系統(tǒng)上下對(duì)稱分布結(jié)構(gòu),通過單封隔器即可實(shí)現(xiàn)封隔器與油套管之間環(huán)空的密封;活塞與活塞套之間裝有助于膠筒復(fù)位的彈簧,活塞套上設(shè)計(jì)有可防止封隔器解封時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓而影響膠筒復(fù)位的壓力平衡通道,可有效使膠筒解封;鎖緊套與調(diào)節(jié)環(huán)形成雙螺母對(duì)擰緊固結(jié)構(gòu),以防止封隔器坐封時(shí)活塞套產(chǎn)生移動(dòng);上下對(duì)稱的心軸結(jié)構(gòu),心軸上并列設(shè)置有兩條傳壓通道,其中一條傳壓通道為液壓坐封通道,設(shè)有兩個(gè)出口,分別與封隔器的上活塞腔室、下活塞腔室連通,控制密封機(jī)構(gòu)的坐封及解封狀態(tài),另一條傳壓通道為高壓氣體驗(yàn)封通道,出口設(shè)置在封隔器上的兩個(gè)膠筒之間,對(duì)形成的油管接箍?jī)?nèi)封閉腔充氣驗(yàn)封。

      1—鋼絲繩;2—提升頭;3—懸掛頭;4—鎖緊套;5—調(diào)節(jié)環(huán);6—活塞套;7—膠筒;8—活塞;9—彈簧;10—連接套;11—心軸;12—導(dǎo)向鎖緊套。

      2.2 技術(shù)參數(shù)

      氣密檢測(cè)封隔器在油管扣氣密檢測(cè)工藝中的作業(yè)工況分為3種:封隔器坐封、驗(yàn)油管扣氣密性和封隔器解封。針對(duì)這3種作業(yè)工況,設(shè)計(jì)氣密檢測(cè)封隔器的技術(shù)參數(shù)。

      2) 膠筒坐封額定壓力25 MPa,油壓坐封;密封壓力70 MPa以上,氣體密封。

      3) 密封膠筒卸載后殘余變形小,能夠無(wú)阻礙的提出和放入88.9 mm(3英寸)油管內(nèi),連續(xù)有效重復(fù)使用次數(shù)不低于50次,現(xiàn)場(chǎng)拆裝方便。

      2.3 受力分析

      封隔器受力主要來(lái)自兩部分:一部分來(lái)自兩條壓力通道內(nèi)的液體和氣體壓力;另一部分來(lái)自懸掛在心軸上的零部件對(duì)其的作用力。封隔器金屬部件均選用40CrMnMo材質(zhì),強(qiáng)度極限980 MPa,材料屈服強(qiáng)度785 MPa。心軸受力最為惡劣,對(duì)心軸進(jìn)行受力分析。

      1) 坐封極限工況下心軸強(qiáng)度分析。

      當(dāng)坐封壓力達(dá)到最高35 MPa時(shí),其坐封壓力通道承受的內(nèi)壓最大;同時(shí),活塞的推力傳遞到心軸上,使心軸受到向兩端的拉力F=21 450 N,在此情況下,對(duì)心軸進(jìn)行建模,進(jìn)行受力分析,如圖4~5。

      圖4 心軸坐封極限狀態(tài)下力學(xué)模型

      圖5 心軸坐封極限應(yīng)力云圖

      由圖5可以看出,心軸受 35 MPa 內(nèi)壓及兩端拉力F作用時(shí),最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓力出口處,最大值為 202.4 MPa,遠(yuǎn)小于心軸材料 40CrMnMo 的屈服強(qiáng)度785 MPa,安全系數(shù)為 3.9。

      2) 驗(yàn)封極限工況下心軸強(qiáng)度分析。

      封隔器坐封完成后,膠筒緊貼在油管內(nèi)壁上,油管和工具環(huán)空中的氣體壓力主要由膠筒承擔(dān),在此情況下,心軸主要承受驗(yàn)封壓力85 MPa拉力作用以及坐封壓力35 MPa的內(nèi)壓作用,對(duì)心軸進(jìn)行強(qiáng)度校核分析,如圖6~7。

      由圖7可以看出,心軸在驗(yàn)封極限工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在氣體通道入口的錐面處,最大值為242.8 MPa,心軸材料40CrMnMo 的屈服強(qiáng)度785 MPa,安全系數(shù)為 3.2。設(shè)計(jì)合理。

      圖6 心軸驗(yàn)封極限狀態(tài)下力學(xué)模型

      圖7 心軸驗(yàn)封極限狀態(tài)下應(yīng)力云圖

      由以上分析可知,心軸材質(zhì)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿足坐封及驗(yàn)封極限工況下的強(qiáng)度要求,且安全系數(shù)均在3 以上,設(shè)計(jì)合理。

      3 工具性能測(cè)試

      封隔器的密封能力、各部件能否順利地反復(fù)多次動(dòng)作是工具研制成敗的關(guān)鍵。重點(diǎn)對(duì)工具的整體性能進(jìn)行測(cè)試及驗(yàn)證。

      工具零部件清洗干凈,檢測(cè)各部件尺寸滿足設(shè)計(jì)要求,對(duì)工具進(jìn)行裝配,各滑動(dòng)表面和螺紋連接處涂抹潤(rùn)滑油,裝配后,各部件靈活無(wú)卡阻現(xiàn)象,工具實(shí)物圖如圖8。

      圖8 氣密檢測(cè)封隔器

      a 封隔器送入測(cè)試筒

      b 接封隔器兩路壓力管線

      c 加壓泵加壓測(cè)試

      經(jīng)測(cè)試,封隔器在25 MPa坐封時(shí),液壓驗(yàn)封30~85 MPa,穩(wěn)壓情況良好。解封后,將封隔器從測(cè)試筒內(nèi)取出,反復(fù)測(cè)試80次,封隔器動(dòng)作靈活,坐封、驗(yàn)封、解封情況良好,證明封隔器設(shè)計(jì)合理。膠筒為易損件,作業(yè)時(shí)至少備2套工具,一用一備,適時(shí)更換工具及膠筒零部件,提高作業(yè)效率。

      表2 驗(yàn)封試驗(yàn)數(shù)據(jù)

      4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

      油管扣氣密封檢測(cè)技術(shù)在中海油鉆采試驗(yàn)基地JJSY-1井進(jìn)行了成功應(yīng)用,如圖10。在井口檢測(cè)3" 9.21 b/ft FOX型油管扣200個(gè),檢測(cè)出4個(gè)泄漏點(diǎn)?,F(xiàn)場(chǎng)及時(shí)更換油管,提高了作業(yè)可靠性?,F(xiàn)場(chǎng)下1根油管的時(shí)間分配為:油管扣上扣2 min38 s,檢測(cè)2 min50 s,下油管(鉆井隊(duì)操作)24 s,起管到鉆臺(tái)1 min30 s,合計(jì)7 min22 s。檢測(cè)時(shí)間占38.4%,檢測(cè)過程的時(shí)間是封隔器下入20 s,坐封50 s,注入高壓氣20 s,穩(wěn)壓及檢測(cè)60 s,泄壓10 s,封隔器起出10 s。

      a 封隔器準(zhǔn)備送入油管內(nèi)

      b 井口油管檢漏

      c 井口封隔器檢測(cè)

      5 結(jié)論

      1) 為保證氣井、深水井生產(chǎn)管柱在井下的安全,提高作業(yè)可靠性,降低井內(nèi)復(fù)雜事故的發(fā)生率,建議現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行油管氣密扣的氣密封性檢測(cè)。

      2) 油管氣密扣氦氣檢測(cè)技術(shù),具備檢測(cè)精度高、反應(yīng)時(shí)間快、安全清潔、無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn);氣密檢測(cè)封隔器采用無(wú)卡瓦坐封結(jié)構(gòu),避免對(duì)油管的傷害。采用雙組膠筒、雙增壓通道結(jié)構(gòu),保證泄壓完成后再解封,防止工具上竄而發(fā)生危險(xiǎn),工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

      3) 通過整體性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,研發(fā)的油管扣氣密檢測(cè)技術(shù)工藝可行,工具性能可靠,能夠?qū)崿F(xiàn)在生產(chǎn)管柱下入時(shí)高效、快速、安全地對(duì)氣密扣進(jìn)行密封性能檢測(cè),應(yīng)用前景廣闊。

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