深水长裸眼井一趟式弃井水泥塞释放工具设计与剪切性能分析

为解决深水长裸眼井弃井作业时效低、安全性差及水泥塞质量不稳定等问题，研究人员设计了一趟式超长弃井水泥塞释放工具，通过弹性棘爪拉伸试验验证其机械强度，建立有限元模型模拟球座动态剪切失效，确定释放压力为8.1 MPa，并揭示纵向销钉剪切力学规律。现场应用表明，该工具在南海文昌区块4口井中成功实现单趟注入1000米水泥塞，作业时效提升79.3%，释放误差仅14.9%，为深水弃井作业提供了高效安全的新方案。

　　

深水油气开发是能源战略的重要方向，但长裸眼井弃井作业面临巨大挑战。传统泵/拉分段注水泥法效率低下，频繁提钻易引发井筒压力波动，导致水泥塞质量下降甚至井控风险。南海文昌区块的深水探井裸眼段长度常超1200米，亟需突破性技术解决上述问题。为此，中国研究人员设计了一趟式弃井水泥塞释放工具，通过集成轴向剪切释放、周向应急释放及循环清洁功能，实现超长水泥塞单趟注入。

研究采用弹性棘爪拉伸试验验证关键部件强度，建立有限元模型动态模拟球座剪切过程，结合纵向销钉直径、长度及数量等参数分析释放压力调控规律。结果表明，释放压力随结构参数增大而升高，实验室测试数据与模拟误差仅14.9%。周向剪切仿真与释放力矩测试证实应急结构的可靠性，默认释放力矩为3,024 N·m。

结构组成与工作原理
工具由释放总成和应急反扣短节构成，释放总成包含上接头、循环清洗短节、球座释放短节等模块。球座释放短节通过液压驱动剪切销钉实现管柱分离，应急反扣短节则通过扭转剪切周向销钉提供备用释放方案。

纵向剪切性能测量
有限元分析显示，销钉剪切力与直径平方、长度呈正比，多销钉并联可线性增加释放压力。实验测得8.1 MPa释放压力与模拟结果吻合，误差控制在工程允许范围内。

周向剪切性能测量
周向销钉剪切力矩与径向截面积成正比，3,024 N·m的默认释放力矩既避免提前解扣，又确保应急工况可靠分离。

现场应用
南海文昌区块4口井应用表明，单趟注入1000米水泥塞使作业时效提升79.3%，工具释放压力误差仅14.9%，验证了实验室测试的有效性。

结论
该工具突破传统分段注水泥技术瓶颈，轴向与周向双剪切机制保障了深水长裸眼井弃井作业的高效性与安全性。有限元模型与实验的协同优化为液压释放工具设计提供了新范式，其力学规律研究成果可推广至其他井下工具开发。研究发表于《Geoenergy Science and Engineering》，为深水油气田弃井作业树立了新标准。