试井井下柔性短节研制及应用

汪敏王玉根郑永许绍俊汪琛又

川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院重庆401120

摘要：近年来随着人们对油气田开发和测试工作的不断改进以及对不同地层特点的油气井状况的认识提高，油气井测试也随着得到在快速的发展，伴随着新工具、新工艺的出现试井技术也得到了长足的发展。针对现有的国内外传统的关节式接头存在关节体与主体分离的潜在风险，设计了一种试井井下柔性短节的新型万向装置。本装置构思新颖，结构更合理，加工制作容易，成本低，性能优良安全，实用性强，本实用新型适应大斜度井、水平井等特殊井身结构的试井工艺要求，有效提高了试井施工质量及施工效率，在川渝油气田试井作业中发挥了重要作用。

关键词：油气井；井下仪器；柔性短节

在油气田勘探开发过程中，都要对油气井进行试井，需要使用钢丝将电子压力温度计以及相关仪器下入井内预定深度，测量井下的压力和温度，随着油气田勘探开发不断深入，大产量井、高压井、越来越多，对井口压力大和测流压时井内产气量高的试井，往往需要将较长、较重的仪器工具串下入井内，在大斜度井段和方位角、狗腿度突变和管柱结构复杂井段，以及有泥浆、地层出砂、井内结蜡等情况，会造成仪器工具串在管柱内遇卡遇阻，需要安装柔性短节，缩短其刚性长度，增加仪器工具串的柔性度。

近年来，应用国内外传统的柔性短节进行仪器工具串各段的连接，使仪器工具串在下井过程中有柔性，防止阻卡。但通过调研发现其结构简单、可靠性差，关节体与主体严重磨损，会导致井下落物，参考相关的研究成果，研制了针对试井测试的井下柔性短节的专用装置。

一、现有柔性短节存在的问题

目前常用的柔性短节由上接头、销钉、主体、关节体、下接头组成，主体下端内部设有球形面，关节体上方设相配合的球形体，通过主体的内球形面和关节体的外球体面组成滑动摩擦副，达到柔性的目的。但传统的井下柔性短节还存在以下缺点：

1、由于主体的内球形面，关节体的外球体面，加工精度不高，尤其主体的内球形面难以达到与关节体相吻合的外球体面，受力点不均匀，在仪器串较重时摩擦力较大，摆动也不灵活。

2、主体的内球形面与关节体的外球体面间隙大，砂粒进入主体的内球形面与关节体的外球体面之间，摩擦力增大，柔性变差，仪器工具串难以通过大斜度井段和方位角、狗腿度突变井段下到预定深度。

3、上接头与主体是用销钉固定，拆卸保养不方便，磨损程度难以观察到，随着主体的内球形面与关节体的外球体面之间不断磨损，间隙逐渐增大，载荷能力和抗冲击能力变差，存在关节体上的球形体滑出主体内球形面，关节体与主体分离的潜在风险，有时造成仪器工具串落井事故。

由此，以这种柔性短节及工艺为基础，试井作业时，由若干个柔性短节将入井的仪器串工具分解成若干个刚性长度段，在试井过程中一旦发生柔性短节脱落，致使测试失败，必然造成井底与产层无法正常沟通，直接影响油气田经济效益的提高。

二、试井井下柔性短节研制

1．结构

新型试井井下柔性短节主要在现有柔性短节的基础上加以改进，其设计思路是利用由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成的关节轴承。外圈的内球面和内圈的外球面组成滑动摩擦副，有较大的载荷能力和抗冲击能力，并具有抗腐蚀、耐磨损、自调心的特点，改变原有的结构连接方式，研制一种结构合理、柔性好、实用性强、安全可靠，用于较长的仪器工具串下入有挠度的井中时防止遇卡遇阻的试井井下柔性短节。

上接头上端设公扣与其他试井工具的母扣连接，中间设扁方，下端公扣与主体的母扣一致，并相连接。

主体设通孔，上端设母扣，螺纹与上接头公扣一致；下端设锥形孔，锥面与中心线的夹角为20°，锥形孔最小孔径的内部上方为一圆形台阶，直径大于关节轴承内圈下凸出部分的最大外径，高度大于关节轴承内圈摆幅20°时下凸出部分的最大高度；圆形台阶的上端设圆柱形孔，内径略大于关节轴承的外圈外径，略小于上端母扣的直径；圆柱形孔深度大于关节轴承的整体高度，让关节轴承在主体与上接头锁紧情况下，有上下活动的间隙；主体内螺纹与上接头外螺纹一致；外径与上接头外径一致，中间设扁方。

关节体上端设外球形体，便于仪器工具串遇阻后球面与上接头下端接触面顶紧时，关节体在主体内转动灵活，外球形体直径大于主体锥度孔的最小直径，当在关节轴承出现损坏时，关节体不至于滑出主体，关节体外球形体下部设圆柱形，直径与关节轴承的内孔吻合，下端设公扣，扣型与下接头的上端母扣相吻合。

关节轴承是由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成。外圈的内球面和内圈的外球面组成滑动摩擦副，内孔与关节体圆柱形段紧配合，上端面与关节体外球形体的台阶相接；内圈最小外径大于锥度孔的最小孔径；外圈外径略小于主体下内孔径，下端面与主体内下圆孔底部相接。

销钉为一圆柱体，直径与下接头、关节体的销钉孔一致，长度与下接头的最大外径一致。

下接头两端部设螺纹孔，上端为小螺纹孔，下端为大螺纹孔，小螺纹孔丝扣与关节体的公扣相吻合，大螺纹孔丝扣与其他工具公扣相吻合，外径与主体外径一致，中间设扁方。

关节体靠近末端垂直中心线处和下接头上部垂直中心线处均设一销孔，孔径略大于销钉直径。

主体外表下端面和下接头外表上端面均成倒圆角，防止与管柱台阶相碰撞，减小仪器串与管壁间的摩擦力。

上接头与主体相连，上接头的下端面与主体的下圆孔底面的距离大于关节轴承的外圈下端面与球面顶的距离。

２．工作原理

通过将关节轴承内圈套装在关节体至关节轴承内圈上端平面与外球形体的小台阶面相接，然后将关节体的下端从主体锥度孔穿出，关节轴承外圈与主体内圆形孔滑配，上接头与在主体锁紧，关节体丝扣与下接头连接，并用销钉定位。形成关节体最大摆动幅度20°柔性好的关节式关节接头，将试井井下关节式接头依次连接在加重杆、震击器、电子压力温度计等组成的仪器串工具串之间，起到缩短刚性长度、增加挠度、减小摩擦作用，使仪器、工具在下井过程中有较好的柔性，不致因管柱某处有挠度而发生卡阻现象。

３．加工工艺要求及性能参数

试井井下柔性短节的上接头、关节体、主体、销钉、下接头材料选用316Ｌ不锈钢，螺纹加工保证其加工精度；关节轴承优选高强度、耐腐蚀成品。

试井井下柔性短节最大外径：38mm，总长度：167mm，有效长度：142mm，质量1.085kg，关节体摆动幅度：20°，工作介质：石油、天然气、各类钻井液，可以实现在Φ63.5m油管内进行有效试井测试，提高了试井成功率。

三、现场应用

2014年05月开始使用试井井下关节式接头，在川渝油气田蒲西001-X1井、威202H3-1井、温泉002-H2井等260多口井，310余次试井作业（有些井最大井斜角达到了63.75°）中，达到安全可靠，提高了试井工作的成功率，降低了劳动强度，很好地满足了“三高”井、高产井、超深井、大斜度井、水平井等高难度测试工艺的要求。该技术已成功运用在磨溪、云安厂、高石梯等高含硫气田，施工成功率100%，资料合格率100%的好成绩。大斜度井的试井施工费用比直井提高了30%左右的收益，该试井井下关节式接头制作成本低，但该技术应用后社会及经济效益明显。

近三年来累计施工大斜井及水平井按260口井计算，平均每口井收费2.5万元，共增加收入650万元，增加利润162.5万元，且杜绝了井下落物事故的发生，提升了试井质量，具有良好的应用前景。

试井井下柔性短节针对现场实际需求，在传统的柔性短节的基础上，有大的创新和发展，为生产一线解决了实际问题，在川渝油气田使用5年来，达到试井成功率100％，降低了劳动强度，杜绝井下事故套事故的情况发生，经济效益及社会效益显著，具有推广价值。

四、结论

（1）经过多次试验及现场应用，试井井下柔性短节能够能避免仪器工具串与油管内壁碰撞，使仪器串顺利下放至目的井深。

（2）试井井下柔性短节操作方便，有效提高了试井成功率，缩短了试井作业时间，节约了试井费用，减少油气井井下复杂，便于油气井后期生产及维护，延长油气井生产时间。

（3）试井井下柔性短节结构合理、性能稳定、易于加工，可重复投入使用，不仅使测试数据更加准确完整，更为施工作业的安全性、可靠性得到了增强，解决了大产量井、高压井、大斜度井的试井的难题，减小仪器落井的损失。

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