復(fù)合坐封式注氣封隔器的研制

田　啟　忠（勝利油田石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng)　257000）

復(fù)合坐封式注氣封隔器的研制

田啟忠
（勝利油田石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng)257000）

很多低滲透油藏布置注氣井，進(jìn)行注氣驅(qū)油生產(chǎn)。現(xiàn)有的丟手式注氣管柱，利于后期換管作業(yè)，解決了Y211注氣管柱再次作業(yè)時(shí)需要大量放氣和難以壓井的問題，但出現(xiàn)了封隔器坐封不良、丟手工具丟不開的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)了一種新型的可丟手式注氣封隔器，采用油管打液壓和下放管柱加壓的雙重作用坐封膠筒，提高其密封能力；可以投球進(jìn)行液壓或機(jī)械丟手，后期可回接密封進(jìn)行注氣施工。封隔器設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明封隔器密封性能可靠，滿足了注氣工藝的現(xiàn)場(chǎng)需要，并且延長(zhǎng)免修期，降低注氣成本，為注氣驅(qū)油技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)，應(yīng)用前景廣闊。

特低滲；注氣；封隔器；回接；密封

近年來(lái)，特低滲油藏探明儲(chǔ)量在每年的低滲透新增探明儲(chǔ)量中所占比例呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，逐漸成為勝利油田低滲透新增儲(chǔ)量的主要類型。從研究機(jī)理及國(guó)內(nèi)外開發(fā)效果來(lái)看，CO2驅(qū)油技術(shù)是大幅度提高低滲透油藏采收率的主要方法。

勝利油田在高89區(qū)塊選擇了部分井進(jìn)行注CO2驅(qū)油的先導(dǎo)試驗(yàn)。筆者對(duì)注氣管柱的關(guān)鍵部分—注氣封隔器進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 　注氣管柱

勝利油田早期在純梁采油廠高89區(qū)塊進(jìn)行的注氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均采用丟手式注氣管柱，其分體式丟手結(jié)構(gòu)利于后期的換管作業(yè)，管柱結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　丟手式注氣管柱結(jié)構(gòu)圖

封隔器是整個(gè)注氣管柱中最為關(guān)鍵的工具，實(shí)現(xiàn)油套環(huán)空隔離，通過(guò)注氣管柱對(duì)封隔器以下層位進(jìn)行注氣，同時(shí)保護(hù)油層上部套管不受CO2腐蝕［1］。在前期的注氣作業(yè)中，容易出現(xiàn)封隔器坐封不良，丟手工具也有丟不開的情況。由于工具性能不可靠導(dǎo)致了前期施工的失敗，必須研制一種新式封隔器，保證注氣工藝的順利實(shí)施。

2 　方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

在前期研究的基礎(chǔ)上，形成了復(fù)合坐封式注氣封隔器的設(shè)計(jì)思路：采用油管打液壓和下放管柱擠壓坐封，提高密封能力；能實(shí)現(xiàn)液壓或機(jī)械丟手功能，并可以回接密封；考慮CO2的腐蝕性，為關(guān)鍵部件優(yōu)選材質(zhì)（丟手上接頭采用35CrMo，卡瓦采用20CrMoTi，其余主要部件采用3Cr13）；考慮井深及井溫條件，封隔器密封件優(yōu)選耐高溫橡膠材料。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合坐封式注氣封隔器結(jié)構(gòu)如圖2所示。支撐套和連接套套裝在中心管上，在連接套的上部套裝膠筒和上錐體，和連接套上部的壓帽組成密封機(jī)構(gòu)，膠筒之間通過(guò)隔環(huán)間隔；上錐體和下錐體套裝在連接套的中上部，在兩錐體之間安裝有卡瓦套，卡瓦位于上、下錐體之間，卡瓦牙從卡瓦套的開槽伸出［2］；下錐體下部連接液缸套，液缸套和連接套之間裝有坐封活塞和鎖緊套，兩者通過(guò)坐封剪釘固定在一起，中心管上對(duì)應(yīng)坐封活塞的位置開有進(jìn)液孔用來(lái)傳遞液壓力，中心管與連接套在軸向方向上通過(guò)解封剪釘固定；鎖緊套的下方設(shè)計(jì)有鎖緊螺紋，鎖緊螺紋上設(shè)有鎖環(huán)以實(shí)現(xiàn)鎖緊功能，鎖緊套最下端連接下接頭，方便與其他工具配套使用?；亟油埠玩i爪套之間設(shè)有丟手活塞，上接頭下部本體設(shè)計(jì)為彈性分瓣鎖爪，鎖爪上設(shè)有倒扣螺紋，與回接筒上的倒扣螺紋配合連接后，丟手活塞由內(nèi)向外將鎖爪頂緊固定；在上接頭和回接筒之間設(shè)置有球座，球座密封面之上設(shè)置有進(jìn)液孔，投球后可以通過(guò)進(jìn)液孔傳遞液壓力進(jìn)行丟手動(dòng)作。

圖2　復(fù)合坐封式注氣封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3工作原理

首先組裝注氣丟手管柱，封隔器以下順次連接蝶板閥、注氣止回閥，在封隔器的丟手球座上連接內(nèi)插管，內(nèi)插管延伸至蝶板閥內(nèi)，使蝶板閥處于打開狀態(tài)；管柱到位后，投入鋼球，注氣止回閥以上形成密閉空間，通過(guò)油管打液壓，推動(dòng)封隔器的坐封活塞上行頂壓下錐體，剪斷坐封剪釘，下錐體繼續(xù)上行撐出卡瓦，將封隔器錨定在套管內(nèi)壁上；同時(shí)，液壓反作用在鎖緊套上，帶動(dòng)中心管下行，由于卡瓦已經(jīng)固定，此時(shí)膠筒開始受擠壓變形，膠筒的變形通過(guò)下面的鎖環(huán)及鎖緊套鎖定；如果液壓力不夠，還可以將整個(gè)管柱下放加壓，增加膠筒形變量，提高封隔器密封效果。繼續(xù)打壓將注氣止回閥的滑套打掉，建立注氣通道。再次投球打壓，將丟手活塞打掉，上接頭下端的鎖爪失去支撐，上提管柱實(shí)現(xiàn)丟手動(dòng)作；如果液壓動(dòng)作失效，還可以正轉(zhuǎn)管柱，實(shí)現(xiàn)倒扣丟手。管柱上提后，帶動(dòng)內(nèi)插管從蝶板閥內(nèi)拔出，蝶板閥自動(dòng)關(guān)閉，密封下部空間，實(shí)現(xiàn)不壓井作業(yè)。

注氣施工時(shí)，下入由注氣密封插頭、反洗閥和水力錨組成的注氣管柱，將密封插頭插入封隔器的回接筒內(nèi)形成密封，導(dǎo)引頭下探打開蝶板閥，實(shí)施注氣施工。注氣時(shí)反洗閥關(guān)閉，在壓力的作用下水力錨錨定在套管上，防止注氣時(shí)管柱蠕動(dòng)；反洗閥可以通過(guò)環(huán)空反向打開，替入環(huán)空保護(hù)液；井下有臟物時(shí)也可以進(jìn)行反循環(huán)洗井。如果需要更換注氣管柱，泄壓收回水力錨，即可起出注氣管柱，此時(shí)蝶板閥自動(dòng)關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)不壓井更換注氣管柱。

2.4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.4.1坐封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坐封活塞結(jié)構(gòu)如圖3所示，其環(huán)形面積為

式中，S為坐封活塞的環(huán)形面積，mm2；R為活塞外環(huán)半徑，mm；r為活塞內(nèi)環(huán)半徑，mm。

圖3　坐封活塞結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證封隔器坐封的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)按照要求采用5、10、15、20MPa由低到高的漸進(jìn)式液壓坐封，各階段液壓坐封時(shí)產(chǎn)生的推力為19.12 kN，38.24 kN，57.37 kN，76.49 kN。

2.4.2膠筒坐封距計(jì)算

根據(jù)坐封過(guò)程中膠筒體積相等原理計(jì)算坐封距L為

其中

式中，V1為膠筒坐封前總體積，mm3；V2為膠筒坐封后總體積，mm3；R1為坐封前的膠筒外半徑，取值56.5 mm；R2為坐封后的膠筒外半徑，取值62 mm；r為膠筒的內(nèi)半徑，取值36.5 mm；h1、h2、h3分別為三只膠筒的長(zhǎng)度，取值為80、70、80 mm；H為三只膠筒坐封后的總長(zhǎng)度，mm；L為膠筒坐封距，mm。

封隔器坐封時(shí)鎖定套移動(dòng)的相對(duì)距離等于膠筒壓縮的距離和卡瓦撐出的錨定距之和，因此為滿足封隔器可靠坐封要求，鎖定套的有效行程應(yīng)大于上述距離之和，最終確定為136 mm［3］。

2.4.3丟手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

丟手活塞結(jié)構(gòu)如圖4所示，初步設(shè)計(jì)采用兩個(gè)M8的螺紋剪釘，材料為H62，經(jīng)過(guò)計(jì)算總剪斷力為23.52 kN，則設(shè)計(jì)丟手壓力為

式中，p為設(shè)計(jì)丟手壓力，即作用在活塞環(huán)形面積上的液體壓強(qiáng)，MPa；F為兩個(gè)剪釘?shù)目偧魯嗔?，kN； S為丟手活塞環(huán)形面積，mm2；R為丟手活塞的外環(huán)形半徑，mm；r為丟手活塞的內(nèi)環(huán)形半徑，mm。

圖4　丟手活塞結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)丟手操作時(shí)，需考慮封隔器以下地層壓力的影響，地面打液壓時(shí)要遠(yuǎn)高于丟手設(shè)計(jì)壓力，為避免高壓丟不開手的情況，設(shè)計(jì)丟手壓力應(yīng)低于10 MPa，因此設(shè)計(jì)的丟手壓力8.6 MPa符合現(xiàn)場(chǎng)施工的安全要求。

2.4.4密封件優(yōu)選

對(duì)膠筒進(jìn)行了有限元分析和接觸應(yīng)力影響因素分析［4-5］，并且針對(duì)橡膠的高溫高壓使用條件，研究了10種橡膠配方在160℃高溫條件下的使用性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，以及綜合考慮拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和質(zhì)量體積變化率，氫化丁腈橡膠H1010-1的綜合性能最好。H1010-1在160℃高溫實(shí)驗(yàn)后，肖氏硬度由73降至65，拉伸強(qiáng)度為12.8 MPa，保持60.3%，斷裂伸長(zhǎng)率為290%，保持80.1%，質(zhì)量變化率為19.4%，體積變化率為26.3%。因此，選擇氫化丁腈橡膠H1010-1用作注氣封隔器的密封件。

3　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1地面實(shí)驗(yàn)

注氣封隔器設(shè)計(jì)完成后，在地面對(duì)工具進(jìn)行了性能試驗(yàn)：將封隔器下端接絲堵，放置于專用的實(shí)驗(yàn)套管中，在封隔器上接頭接試壓管線，依次打壓1=5、10、15、20 MPa，充分坐封封隔器，然后在試驗(yàn)套管下接頭接試壓管線，打壓2=40 MPa驗(yàn)證封隔器膠筒密封能力［6］。然后泄掉壓力2，將上接頭管線拆開投入鋼球，打壓進(jìn)行丟手。丟手后用油管連接專用撈矛，撈住封隔器的回接筒，然后放至拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行解封試驗(yàn)，驗(yàn)證解封力大小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的差別在允許的誤差范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

表1　封隔器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3.2井下模擬實(shí)驗(yàn)

封隔器性能指標(biāo)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，對(duì)整個(gè)注氣丟手管柱進(jìn)行了井下模擬實(shí)驗(yàn)，管柱結(jié)構(gòu)如圖5所示。將管柱組裝完畢后，下入地面試驗(yàn)井中，將封隔器打壓坐封，下壓管柱進(jìn)一步壓縮膠筒，再打掉注氣止回閥的滑套，投球丟手后起出上部管柱，再下入注氣密封插管進(jìn)行回接密封，正打壓，驗(yàn)證封隔器膠筒以及整個(gè)管柱的密封性。起出注氣管柱，下入撈矛，撈住封隔器回接筒，將整個(gè)管柱解封起出試驗(yàn)井。

圖5　注氣管柱井下模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

通過(guò)井下模擬試驗(yàn)，可以驗(yàn)證整個(gè)注氣管柱的坐封、丟手動(dòng)作良好，密封性能可靠，解封順利，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

高89-1區(qū)塊為西南高、東北低的單斜構(gòu)造，地層傾角為5～8°，內(nèi)部發(fā)育為部分小斷層。儲(chǔ)層以粉砂質(zhì)細(xì)砂巖為主，平均孔隙度為13.1%，平均滲透率為2.1×10-3μm2，為低孔特低滲儲(chǔ)層。

由于儲(chǔ)層滲透率低、油層條件復(fù)雜，該區(qū)塊大部分井采取大規(guī)模壓裂投產(chǎn)，近井區(qū)壓力釋放快，產(chǎn)量遞減快，若不采取補(bǔ)充能量方式，彈性開采最終采收率僅8.9%。由于該區(qū)塊井距大、滲透率低，注水開發(fā)難度大，經(jīng)過(guò)多方面調(diào)研論證，決定在該區(qū)塊開展注CO2驅(qū)油先導(dǎo)試驗(yàn)，實(shí)施情況見表2。

表2　高89-1區(qū)塊注入井情況統(tǒng)計(jì)表

復(fù)合坐封式注氣封隔器在高89-1區(qū)塊應(yīng)用4口井，注入方式采取液態(tài)CO2連續(xù)注入，單井日注入量20 t；注入過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及地質(zhì)要求對(duì)注入量進(jìn)行調(diào)整，其中高89-5井由于注氣壓力高而停注，其他3口井經(jīng)過(guò)半年連續(xù)注氣，套管環(huán)空壓力平均上升1.5 MPa。注氣封隔器及留井管柱全部采用不銹鋼材質(zhì)，能有效避免CO2引起的腐蝕問題，滿足現(xiàn)場(chǎng)注氣工藝要求。

5　結(jié)論

（1）采用雙作用坐封機(jī)構(gòu)的復(fù)合坐封式注氣封隔器，能有效解決液壓坐封力不足的問題，強(qiáng)化封隔器密封件的壓實(shí)程度，提高了密封油套環(huán)空的能力。

（2）封隔器能實(shí)現(xiàn)液壓或機(jī)械雙重丟手功能，保證丟手動(dòng)作的可靠性，并可以與注氣密封插管配合實(shí)現(xiàn)回接密封，簡(jiǎn)化了注CO2的工藝管柱。

（3）通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用不銹鋼材質(zhì)和耐高溫橡膠材料設(shè)計(jì)的封隔器密封有效期長(zhǎng)，抗腐蝕能力高，能滿足深井及高溫井的高壓注氣條件，為注氣驅(qū)油技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，應(yīng)用前景廣闊。

［1］江漢石油管理局采油工藝研究所.封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1983.

［2］王志堅(jiān)，鄧衛(wèi)東，林忠超，等.水平井封隔器卡瓦的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：78-81.

［3］劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析［J］.機(jī)械工程師，2007，（7）：66-67.

［4］劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒密封性能有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（9）：38-41.

［5］伍開松，朱鐵軍，侯萬(wàn)勇，等.膠筒系統(tǒng)接觸有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，28（6）：88-90.

［6］王當(dāng)芳，黃兆芝，李敏，等.壓縮式封隔器膠筒密封性能的試驗(yàn)研究［J］.石油機(jī)械，1990，28（4）：24-31.

（修改稿收到日期2015-03-06）

〔編輯李春燕〕

Development of composite setting-type gas injection packer

TIAN Qizhong
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology , Shengli Oilfield Company, Dongying 257000, China）

The gas injection wells have been placed in many low-permeability reservoirs for oil displacement. The present releasetype gas injection string is good for pipe replacement in later stage, solving the problems that a large amount of gas needs to be released and the well killing difficulty, when the Y211 gas injection string works again. However, in field test, problems occurred like poor packing setting and that release tools cannot be released. A new release-type gas-injection packer has been developed, which seats the rubber sleeve by both pumping liquid pressure through tubing and adding weight by lowering the pipe string, hence improving its sealing performance. Release can be realized hydraulically or mechanically by dropping ball, and later it can be tied back and sealed for gas injection. After the packer was designed, indoor simulation experiment and field test were performed, which show that the sealing performance of the packer is reliable, meets the onsite requirement of gas injection technology, extends the repair-free period, reduces the cost of gas injection and lays a good foundation for the promotion of drainage technology by gas injection and hence enjoys a promising application prospect.

extra-low permeability; gas injection; packer; tie-back; sealing

TE341

B

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0120 – 04

10.13639/j.odpt.2015.02.032

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“CO2驅(qū)油油藏工程及注采工藝關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：2012BAC24B03）。

田啟忠，1984年生。2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事修井、完井工作，高級(jí)工程師。電話：13561027100。E-mail：tianqizhongcs@163.com。

引用格式：田啟忠.復(fù)合坐封式注氣封隔器的研制［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：120-123.