带压作业钢丝投送式堵塞器设计研究

朱磊

（大庆油田昆仑集团井田实业公司，黑龙江 大庆 163712）

带压作业技术是在不压井、不泄压的状态下起管，杆的井下作业技术,主要包括管柱内堵塞技术、油套环空密封技术、管柱加力控制技术和系列配套技术，主要解决了油气水井作业时保持地层压力的难题。目前带压作业技术在国内已经应用于油水井带压维护、热采井带压作业、欠平衡钻井、低压气井带压作业等多个作业范围，取得了良好的效果。

带压作业主要由带压设备和堵塞器完成双封一顶，即封堵油管内压力、封堵油管套管环空压力、防止油管上顶。堵塞器就是封堵油管内压力的关键，也是带压作业完成的基础。钢丝投送式堵塞器作为油管内堵塞工艺主要采用的一类堵塞工具，被国内所广泛使用。但由于现有钢丝投送式堵塞器的开发使用起步较晚，样式单一，工艺技术积累较少，应对井下复杂条件适用性不足，设备需求较高，且易封不住，堵塞失败率较大。

为解决此问题，设计了一种新的钢丝投送式堵塞器，提高油管内堵塞成功率，降低企业成本，提高生产效率。

1 钢丝投送式堵塞器的技术参数设计

大庆油田注水井地层压力普遍为10～30MPa（以1000m井深计算），而钢丝投送式堵塞器在1000m井深处封堵后，由于在胶筒上下存在约为10MPa的压差，所以最大封堵压力通常不超过20MPa。因此，本课题设计的钢丝投送式堵塞器的最大封堵压力设定为21MPa。

所设计钢丝投送式堵塞器要求可以由2.8mm或3.2mm试井钢丝进行投送，钢丝最大提供的拉力为10kN。

大庆油田现有的采油井、注水井普遍采用J55石油管材，常见的生产管柱油管使用最多、最普遍的油管型号为2-7/8″平式油管，壁厚5.51mm。因此，钢丝投送堵塞器以封堵2-7/8″油管为主。

2-7/8″-5.51油管内径为62mm，所以本钢丝投送式堵塞器封堵直径设定为Φ62mm。

注水管柱通常由油管、封隔器、配水器、球座等组成。钢丝投送式堵塞器本体为了下放至注水管柱任意位置，必须通过封隔器、配水器的内孔。

常用注水用封隔器中心孔通径都是大于配水器中心通孔直径的。设计后的钢丝投送式堵塞器本体外径不能大于Φ46mm，且应留有间隙，为了保证其正常使用功能，本体最大直径可在Φ40～Φ44mm，以方便通过封隔器、配水器。

2 钢丝投送式堵塞器基本结构设计

本钢丝投送式堵塞器由定位机构、推力机构、胶筒封堵机构、锚定丢手机构四个功能单元组成。

2.1 定位机构设计

通过对常见井下作业工具定位方式的分析，和钢丝投送的投送方式的特殊性，确定了本设计的定位机构采用倒爪定位的方式。

由于油管内截面是规则的圆形，所以倒爪装置只要采用对称的两点式结构就可以保证向上定位牢固。倒爪定位管柱内，只能是挂在两根油管在油管接箍内的间隙处，即油管下端面上。并且，由于钢丝投送式堵塞器本体需要通过配水器，这就要求倒爪可收缩也可弹出，需要采用弹簧支撑的固定方式。

为了不影响钢丝投送式堵塞器的其他机构工作，设计方案将定位机构设计在了堵塞器的最下部分，包括定位锚爪、定位锚、固定螺帽、封头螺帽。封头螺帽前端设计成45°锥面，可有效防止钢丝投送式堵塞器在下井过程中遇卡。

2.2 推力机构设计

通过对国内现有的钢丝投送式堵塞器、电缆投送式堵塞器的分析，可以归纳出以下几种常用推力（坐封力）产生方式，如表1所示。

表1 堵塞器推力产生方式

由于研究方向定位于钢丝投送式，因此，储存高压气体和爆炸作用就不能够采用。而纯粹使用钢丝拉力作为坐封推力，对地面设备要求太高，对钢丝强度要求也高。综合考虑后，决定采用井下压力作为堵塞器的坐封力提供源。采用双级胶筒密封结构，因此，活塞行程需要较长。其行程要能够提供2级胶筒的压缩行程，加上卡瓦锚定的动作行程。设计完成的推力机构包括液压活塞及活塞套筒。

2.3 胶筒封堵机构设计

已知国内采用钢丝投送的堵塞器产品，普遍采用钢丝拉力或井下压力作为胶筒压缩的推动力，而井压动力的堵塞器产品又都是单级胶筒的堵塞器。单级胶筒在封堵油管过程中，如出现封堵面不均匀、点线漏封，就会堵塞失败。

为了增加堵塞的成功率，本设计采用双级胶筒结构，以保证在一级胶筒不能封堵严密的情况下，另一级胶筒可以封堵成功。这样首先从胶筒作用的单一概率上，提高了油管压力封堵成功率。

由于井下水温较高，可接近80℃，所以在胶筒的材质选择上，选择了丁晴橡胶。丁晴橡胶的理论失效温度为120～150℃（具体根据材料配比）。

为了提高橡胶封堵后的抗压能力，对本堵塞器胶筒加工的硬度要求规定为洛氏硬度65～75°。

初步设计完成的胶筒封堵机构包括花瓣压盘、胶筒、单面压盘、双面压盘、防倒扣套筒、防倒扣瓦牙、卸扣封头。

2.4 锚定丢手机构设计

井下工具常用的卡瓦结构为扇形圆弧截面的滑块卡瓦，这种卡瓦的好处是作业用线宽，能够有效卡紧在油、套管内壁。但是，本堵塞器因为要通过配水器，所以设计直径较小，如采用宽弧面卡瓦，卡瓦固定的套体有效壁厚和强度就会减低，且弧面过宽，在强大的推力作用下，容易发生劈裂。

考虑到以上问题，本堵塞器设计中使用了窄弧面卡瓦形式。同时，为了保证堵塞器锚定卡紧的同轴度，采用了3片卡瓦等分圆周的分布方式。卡瓦扩张方式采用斜槽滑动的扩张方式。

由于本钢丝投送式堵塞器与上部工具连接采用的是端部销孔连接，销孔设计在投送固定套上，所以投送固定套即为丢手装置。销孔连接时，采用铜剪钉代替销钉。丢手时利用上部工具中的震击器对堵塞器产生震击力，使剪钉受销孔剪切力作用而剪断，从而丢手堵塞器。

安装完成的钢丝投送式堵塞器完整结构，从右至左机构顺序为定位机构、推力机构、胶筒封堵机构、锚定丢手机构，如图1所示。

图1 钢丝投送式堵塞器总体结构图

3 现场试验情况

现场试验共进行了10井次的钢丝投堵试验，均为注水井投堵，由于现场井况复杂，共成功封堵了8口井，其余2口井由于井内结蜡过多，堵塞器封堵压力不成功，但溢流明显受控。

试验结论：整套钢丝投堵工艺可以有效实施，发挥应有作用，控制系统反应灵敏，绞车拉力显示正常，试验中拉力范围在3.1～5.11kN，与钢丝在井内长度有关，符合试验的实际情况。试验结果基本达到了预期目标，一次封堵成功率达到80%，封堵效果良好。对带压作业提供了有效的前期支持，保证了作业的顺利施工。

4 结语

研制的钢丝投送式堵塞器整体功能包括油管内定位、压力供给、封堵井压、锚定卡紧、丢手等功能，能够实现钢丝投送封堵在油管内任意位置的目的，现场试验效果良好，具备推广使用前景。