带压投球器的研制

刘国恒

（钻井工程技术研究院，黑龙江大庆 163000）

1 概述

纵观大庆油田的开发历程，套损问题一直影响着油田的持续稳产[1]。油田自开发以来累计发现套损井18000多口，占投产井总数19.5%，目前仍有4000多口井待修[2]。水泥面控制工具的出现，极大地改善了大庆地区套损情况的发生，然而随着固井技术的逐渐发展，顶替水泥浆过程中由于工艺改变，导致原有的水泥面控制工具使用方式不能够满足现场应用的需求，因此需要能够与水泥面控制工具配套使用的工具，来满足新工艺条件下的带压投球的要求，在这种情况下，进行带压投球器的研制。

2 带压投球器设计

2.1 工作原理分析

带压投球器要求在使用水泥面控制工具时，在顶替水泥浆过程中不停泵带压投球，因此工具需要在投球过程中克服泵压，将关闭球推送到水泥头内，由水泥浆将关闭球带到水泥面控制工具关闭处，完成水泥面控制工具关闭动作。推送时，首先要保证工具整体密封，同时推送时，要有足够的动力克服水泥浆阻力。

2.2 整体方案设计

带压投球器是基于现有的固井设备设计的，地面的各种固井参数不变。正常固井作业时，将带压投球器接于固井水泥头上，常规顶替作业时关闭球储存于工具内部，根据计算的顶替量，需要投球时不停泵，直接带压投球，确认所有关闭球投入后关闭工具，完成后续固井作业。根据带压投球器的结构组成可分为以下五个系统，即高压密封系统、带压投球系统、储球系统、壳体总成、连接系统。下文将对五种系统的设计过程进行详细介绍。

2.2.1 高压密封系统设计

高压密封系统是整个工具的最基础最重要的部分。针对可能遇到的应用环境，设计出了如下几种密封方式。

第一种是一体式密封方案，工具除与水泥头连接部分外，全部采用一体式加工。

一体式密封方案将各个系统整合在一个密封的整体环境中，工具只需要做好连接部分的高压密封即可，其他系统处在浸没式的环境内，不必考虑密封情况，优点在于设计思路简单；缺点在于一体式密封方案各系统设计方案受限，结构相对较为复杂，且内部与外部信号传导困难，不易操作。

第二种是连通式方案，工具各系统独立设计，独立密封。

连通式方案将各系统独立设计，需要考虑的各种施工过程中遇到的情况，且投球系统需要考虑动密封，如何在运动过程中保持密封是连通式方案的技术难点，该方案优点在于信号传输方便，易于操作；缺点在于内外环境连通，存在一定的安全风险，可能会出现高压液体激射伤人的情况。

2.2.2 带压投球系统设计

带压投球系统的作用是将关闭球投入到水泥头内，进入套管中，完成水泥面控制工具的打开和关闭，设计出了如下几种带压投球方式。

第一种是预制动力投球方案，配合一体式密封方案，投球系统采用预置动力，由于一体式密封方案各个系统整合在一个密封系统内，没有内外压差，无需克服较大阻力即可完成投球动作，因此预置的动力无需太大，该方案的难点在于预置的动力在恰当的时间释放，对现场施工工艺要求严格，设计的预置动力方案有以下几种形式：

（1）遇水膨胀材料：在工具内放置遇水膨胀材料，在水泥浆顶替过程中吸水膨胀，当膨胀力大于储球系统中的阀值时将小球喷射入水泥头内；

（2）膨胀性化学反应：在工具内预置可以发生反应产生大量气体的化学药品，在指定到达指定时间后，药品隔离膜失效，药品发生反应，产生大量气体，使气囊膨胀，推动关闭球，完成投球动作。

预置动力投球方案优点在于安装后不需要进一步的人工操作，到达指定时间后工具自发完成投球动作；缺点在于两种方案对于材料的多少控制对现场施工要求极为严格，一旦出现意外情况，带压投球器仍旧会按照原设计时间投球，导致投球无效。

第二种是后置动力投球方案，配合连通式密封方案，投球系统采用后置动力，所谓后置动力就是在需要投球的时候从外部施加一个外力，将球推出，完成投球动作。这种方案对于投球的时机的把握比较灵活，能够很好地适应现场复杂施工情况，该方案的难点在于投球系统内外压差不平衡，由内而外受到水泥浆的阻力，与此同时，投球系统还要保证提供动力时工具整体的密封不出现问题，设计的后置动力方案有以下几种形式：

（1）活塞杆方式：采用活塞推进的方式，在活塞套上加密封圈，确保活塞运动过程中水泥浆不会在活塞杆处发生刺漏。该方案由于水泥浆压力直接作用在活塞杆截面上，因此推动活塞杆需要较大的力，且需要确保内侧限位安全，保证活塞杆不会受力喷出，造成人员伤害；

（2）螺旋杆方式：采用螺纹旋进的方式，螺纹杆受到轴向力时不易喷出，旋进时所需力远小于轴向受力，克服螺纹摩擦阻力即可，该方案难点在于螺纹杆的密封问题。

后置动力投球方式优点在于投球时间可控，缺点在于需要增加一些操作，同时存在密封失效的可能。

2.2.3 储球系统设计

根据储球方式的不同设计以下两种储球系统：

第一种是包覆式储球系统，将一个单元的球用容易破碎的纸袋包覆，固定在投球系统上，水泥浆达到指定顶替量时投出纸包，在水泥浆作用下纸包破裂，将球散入水泥浆内，完成投球；

第二种是开放式储球系统，将一个单元的球通过机械结构储存在工具内，需要投球时，储球系统伸出并释放储球，完成投球。

2.2.4 壳体总成设计

壳体总成是工具的骨架，将各个系统包容在安全可靠的环境内，确保各系统动作正常，是投球的基础；考虑现场施工条件，在满足强度要求的情况下，壳体总成越短越细越轻，现场施工时越便利，因此壳体总成设计方案根据不同系统的搭配略有不同。

2.2.5 连接系统设计

连接系统的作用是将工具与水泥头相连接，现有技术条件下连接方式有两种：

第一种是通过由壬与水泥头连接，这种方式不需要额外配置其它附件，在工具本体预置一个母扣接头即可完成连接，与管线和水泥头连接方式相同。

第二种是通过快速接头的方式与水泥头相连接，这种方式需要在工具前端预置弹簧等机构，同时对这种快速接头的密封也有较高要求。

2.3 结构建模设计

综合考虑上述五个系统设计方案的优缺点，本着结构简单可靠、现场应用简便的原则，最终确定带压投球器采用连通式密封、螺旋杆式投球系统，开放式储球系统、由壬式连接方式，壳体总成主要包括上本体、承压本体、下本体三部分组成，投球单元主要包括连接螺纹套、密封螺纹杆两部分组成，储球单元主要包括挡杆、挡盘两部分组成。

3 样机组装及室内试验

3.1 带压投球器样机组装

带压投球器样机在大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院科研中试中心加工试制，根据现有的加工条件，对零件的部分细节进行优化，便于加工样机，进行室内试验。

3.1.1 带压投球器加工实物图（见图1）

3.1.2 带压投球器样机的组装

首先以承压本体为基础，上部加载螺纹连接套，然后连接密封螺纹杆与螺纹连接套，将挡杆和挡盘焊接后与密封螺纹杆前端推盘上预置孔焊接，再将上本体及连接配件与承压本体螺纹连接，将O 型密封圈放入密封本体O圈槽中，共两个，套在密封螺纹杆密封光面处，上端与承压本体下部连接，完成样机装配。装配过程中，要求丝扣部分均匀涂抹丝扣油，起润滑、密封的作用。

3.2 带压投球器的室内试验

为了验证带压投球器的工作性能，检验工具的可靠性和稳定性，发现工具存在的问题，进行此次室内试验。

3.2.1 空载状态下工具动作试验

第一部分，投球动作试验50次取平均效果记录。

投球动作试验，是在工具空载状况下通过工装旋动密封螺纹杆，完成投球动作，试验情况如表1所示。

表1 空载状态试验结果

从试验结果来看，旋进刚启动时，手旋进方式较为困难，通过扳手旋进，能够有效减少旋进阻力，根据这种情况，后续试验了杆式工装及轮式工装旋进，在力臂相同的情况下，旋进均较为顺滑，轮式工装优势在于连续式旋进，效率较高，但工装体积较大，重量相对较重；杆式工装优势在于结构简单，效率虽低于轮式但效率降低率并不大，且杆式工装体积较小，重量较轻，便于上井携带。因此，选用杆式工装作为带压投球器的配套工装。

第二部分，连接动作试验20次。

连接动作试验，是针对工具与水泥头连接动作的试验，目的在于发现工具在连接过程中出现的问题。

通过连接动作试验发现，原设计工具外径与标准水泥头连接配件不匹配，连接过程中极易发生卡顿，由于现场施工时定额人员一名，因此需要一只手扶着工具，一只手进行连接，工具重量对人员的手臂力量有较高要求，因此，为了解决上述两个问题，将工具外径在安全系数满足要求的前提下，进行了简化，减轻了重量，增加了与配件之间的回转间隙，便于完成连接动作。

3.2.2 工具承压极限试验

工具承压极限试验是一种破坏性的试验，首先将所有承压零件进行浸没式加压，在静止情况下，所有承压零件承压极限如表2 所示（20 次试验取平均效果）。完成后将工具注满请示后与加压工装连接，进行加压，由于高压较为危险，因此，只进行了40MPa时带压投球动作试验，承压能力远高于现场20MPa 应用所需求的承压能力，见表3。

表2 承压极限结果

表3 投球动作试验结果

通过试验发现，O型密封圈处能够承受较大压力，承压薄弱处在连接螺纹部分，主要影响因素在于加工时零件的加工质量及丝扣清理及涂油状态。针对这种情况，以后的工具组装调试过程时首先使用油污清洗剂进行丝扣表面清理，通过细砂纸打磨，确保丝扣不存在毛刺等影响密封的因素，同时现场用工具一律使用厌氧密封胶均匀涂抹丝扣，保证丝扣连接强度的同时，保证丝扣处密封。

3.2.3 带压状态下工具动作试验

带压状态下工具动作试验是指在保持20MPa状态下进行投球动作，首先设计一个模拟水泥头，内径等于常规固井水泥头内径，在憋压状态下，进行投球，泄压后完成动作试验，观察尼龙球是否能够顺利投出，常规关闭球密度低于清水密度，顶替时由水流携带到关闭位置，但是带压状态下工具动作试验是静止憋压状态，因此需要使用密度高于清水的关闭球，使关闭球沉于底部，便于观察，在20MPa旋进三周条件下，结果如表4所示。

表4 投球动作试验结果

3.2.4 模拟水泥头连接试验

模拟水泥头连接试验是将工具与模拟水泥头相连，本次试验目的是为了验证样机在现场与水泥头连接时工具结构是否合理，经验证，工具重量在可接受范围内，连接时双手定位，单手扶正，单手连接完全可以做到，证明工具设计结构合理，重量和强度匹配。

4 现场试验及优化完善

带压投球器由现场服务人员在固井前将投球器与水泥头安装，为了减少现场施工人员的劳动强度，对投球器结构和尺寸进行了优化，通过优化设计，投球器总长580mm，总质量为7.5kg，满足现场施工一人可进行安装和投球操作。带压投球器在现场应用的三口井投球成功率均为100%，固井碰压后中停时间缩短至半分钟以内。固井施工连续性得到进一步提高，有利于固井质量的提高。

固井时提前在投球器里预装入尼龙球，投球器和固井水泥头连接，一替期间投球器挡盘会将尼龙球和水泥头隔离开，一替后通过人工旋转摇把使推盘推动尼龙球向前移动的同时将挡盘打开，将预装的尼龙球全部推入水泥头内，达到投球目的。投球器额定承受压力30MPa，投球后无需拆卸，整个投球过程可以在30s内完成。

改变了原有的控制水泥面工具传统的投球方法，缩短了投球时间，保证了固井施工连续性和安全性，减小了劳动强度，有利于固井质量的提高。

5 结论

本文基于水泥面控制技术提出了一种配套辅助装置——带压投球器。在深入调研的基础上，对带压投球器各主要系统做了详细的结构设计与理论研究，研究过程中所取得的主要结论有：

（1）由于固井工艺改变，需要在带压条件下，提前投球关闭工具，带压投球器可以满足水泥面控制工具在应用过程中产生的新的要求，因此带压投球器可以作为水泥面控制工具的标准配件常备；

（2）带压投球器工艺简单，结构可靠，可以满足现场使用条件且成本较低，有利于大量推广。