FMB系列防蠕動(dòng)擴(kuò)張式封隔器研制及應(yīng)用

李永康 ,孫金峰 ,何海峰2,劉晉偉,張衛(wèi)衛(wèi),羅 楊

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石化勝利油田分公司 孤東采油廠(chǎng)，山東 東營(yíng) 257237)

勝利油田的水驅(qū)動(dòng)用儲(chǔ)量占油區(qū)總儲(chǔ)量的79%，年產(chǎn)油占總產(chǎn)油的74.3%以上，是油田穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。整裝、斷塊等中高滲油藏作為水驅(qū)開(kāi)發(fā)的主陣地，“三率”水平持續(xù)提升對(duì)于油田穩(wěn)產(chǎn)、提高采收率具有重要意義[2]。擴(kuò)張式封隔器具有坐封方便、檢換可靠及成本低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于整裝、斷塊等油藏分注井，但是，使用壽命較短。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在陸上油田使用的平均壽命約為3 a。由于在注水、洗井、動(dòng)停過(guò)程中，井下分注管柱會(huì)發(fā)生伸縮，造成封隔器蠕動(dòng)、端部撕裂破壞等，使分注管柱密封失效[3-4]。

為了降低管柱蠕動(dòng)對(duì)封隔器的影響，目前主要是使用水力錨、水力卡瓦等鋼制工具實(shí)現(xiàn)對(duì)管柱的錨定，從而解決管柱蠕動(dòng)問(wèn)題[5]。該方法對(duì)套管存在損傷，且受腐蝕、結(jié)垢的影響，后期檢管作業(yè)存在大修風(fēng)險(xiǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。此外，還可以通過(guò)提高封隔器膠筒性能來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命。目前，主要措施包括：優(yōu)化封隔器膠筒尺寸，使用耐溫、耐壓、抗剪切性能好的橡膠材料，并且采用特殊的防凸保護(hù)和肩部保護(hù)裝置等[8-9]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，主要采用了優(yōu)化封隔器結(jié)構(gòu)、提升膠筒性能等方法，提高封隔器錨定力，延長(zhǎng)分注管柱的壽命。

1 改進(jìn)方案

通過(guò)設(shè)計(jì)膠筒錨定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管柱軟錨定，降低錨定機(jī)構(gòu)對(duì)套管的損傷[10-12]；優(yōu)化錨定膠筒結(jié)構(gòu)性能，提高其錨定力；設(shè)計(jì)液缸機(jī)構(gòu)，降低注入流體對(duì)錨定膠筒內(nèi)部的腐蝕，延長(zhǎng)封隔器的使用壽命，降低后期檢換風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)計(jì)坐封、密閉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)密封膠筒的坐封、鎖緊，避免層間出砂、吐聚干擾；設(shè)計(jì)解封機(jī)構(gòu)，2種方式實(shí)現(xiàn)密封膠筒的回收，在滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中反洗井需求的同時(shí)，進(jìn)一步降低后期檢換風(fēng)險(xiǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

防蠕動(dòng)擴(kuò)張式封隔器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由錨定結(jié)構(gòu)、錨定傳力液缸(如圖2)、坐封-密閉結(jié)構(gòu)、解封結(jié)構(gòu)等組成[13-14]。其中，錨定結(jié)構(gòu)主要由上接頭、上中心管、擋碗、錨定膠筒等組成， 提高封隔器的錨定性能。錨定傳力液缸結(jié)構(gòu)主要由液缸套、液缸活塞等組成，主要起液壓力傳遞作用。坐封-密閉結(jié)構(gòu)主要由密閉環(huán)、彈簧、下中心管、密封膠筒等組成，實(shí)現(xiàn)液壓坐封、泄壓不解封的功能。解封結(jié)構(gòu)主要由洗井套、解封活塞等組成，滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中反洗井及后期檢換的解封需求。

1—上接頭；2—上中心管；3—擋碗；4—錨定膠筒；5—液缸套；6—液缸活塞；7—連接件；8—洗井套；9—解封活塞；10—密封接頭；11—密閉環(huán)；12—彈簧；13—下中心管；14—連接筒；15—密封膠筒；16—下接頭。

圖2 錨定傳力液缸結(jié)構(gòu)示意

2.2 膠筒表面溝槽結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高封隔器的防蠕動(dòng)性能，對(duì)錨定膠筒的表面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在其表面設(shè)計(jì)溝槽，用于增大摩擦力。在長(zhǎng)度為180 mm的封隔器膠筒表面設(shè)計(jì)了3種尺寸的溝槽，尺寸分別為(槽寬×槽數(shù))：溝槽1(15 mm×12條)；溝槽2(20 mm×9條)；溝槽3(30 mm×6條)。溝槽在膠筒表面均勻分布，單個(gè)尺寸如圖3所示。

圖3 單個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)示意

3 工作原理

1) 坐封、錨定。注水時(shí)，油管來(lái)液經(jīng)上中心管液壓孔推動(dòng)液缸活塞上行，壓縮內(nèi)部液壓油，使錨定膠筒緊貼套管，錨定管柱；同時(shí)油管來(lái)液經(jīng)下中心管液壓孔，推動(dòng)密閉環(huán)克服彈簧力下移，打開(kāi)進(jìn)液通道，使密封膠筒坐封。

2) 密閉、鎖緊。停注、泄壓時(shí)，錨定膠筒在自身彈性力作用下，回收解除錨定狀態(tài)；密閉環(huán)在內(nèi)部液壓及彈簧力的作用下，關(guān)閉進(jìn)液通道，使得密封膠筒始終處于脹封狀態(tài)，不會(huì)回收。

3) 解封。密封膠筒有2種方式實(shí)現(xiàn)解封：一是反洗井解封，反洗井時(shí)，解封活塞在入井流體作用下，推動(dòng)密閉環(huán)下行，壓縮彈簧，打開(kāi)進(jìn)液通道，使膠筒內(nèi)部液壓釋放，封隔器實(shí)現(xiàn)解封；二是正轉(zhuǎn)解封，正轉(zhuǎn)管柱時(shí)，連接件下移，推動(dòng)解封活塞、密閉環(huán)下移，打開(kāi)進(jìn)液通道，實(shí)現(xiàn)密封膠筒解封。

4 技術(shù)參數(shù)

FMB系列防蠕動(dòng)擴(kuò)張式封隔器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 防蠕動(dòng)擴(kuò)張式封隔器的技術(shù)參數(shù)

5 技術(shù)特點(diǎn)

1) 膠筒錨定。在膠筒表面設(shè)計(jì)有溝槽，提高了膠筒的錨定力。膠筒錨定結(jié)構(gòu)提高了封隔器的防蠕動(dòng)性能，減輕了對(duì)套管的損傷，延長(zhǎng)了封隔器的使用壽命。

2) 錨定傳力液缸結(jié)構(gòu)具有雙液壓系統(tǒng)，液缸內(nèi)部灌滿(mǎn)液壓油，減少了地層流體的腐蝕結(jié)垢影響，提高解卡的可靠性，有效降低了大修的風(fēng)險(xiǎn)。即使錨定膠筒損壞，液壓油漏失，仍不影響密封膠筒的分層效果。

3) 坐封、密閉結(jié)構(gòu)，停注時(shí)不解封，有效避免了層間竄流的發(fā)生。

6 試驗(yàn)情況

6.1 膠筒錨定力測(cè)試

依據(jù)第2.2節(jié)的設(shè)計(jì)，制造3種尺寸溝槽類(lèi)型的膠筒及無(wú)溝槽膠筒，如圖4所示。

設(shè)計(jì)膠筒錨定力測(cè)定裝置，如圖5所示。其原理如下：通過(guò)2號(hào)試壓泵將膠筒試驗(yàn)工件脹封在套管內(nèi)，然后通過(guò)1號(hào)試壓泵加壓推動(dòng)與膠筒工件相連接的活塞。當(dāng)膠筒試驗(yàn)工件開(kāi)始移動(dòng)時(shí)記錄下泵壓，根據(jù)活塞的面積和泵壓就可以計(jì)算出不同脹封壓力下膠筒試驗(yàn)件的錨定力。

1#—無(wú)溝槽；2#—30 mm×6條；3#—15 mm×12條；4#—20 mm×9條。

圖5 膠筒錨定力測(cè)試裝置

以?110 mm膠筒為例，通過(guò)試驗(yàn)得出不同脹封壓差下、不同溝槽結(jié)構(gòu)的膠筒錨定力，如圖6所示。

圖6 ?110 mm不同溝槽結(jié)構(gòu)膠筒的錨定力曲線(xiàn)

結(jié)果表明：當(dāng)坐封壓力達(dá)到5 MPa時(shí)，2#膠筒(溝槽尺寸30 mm×4條)的錨定力可達(dá)到102.6 kN，較無(wú)溝槽膠筒提升約30%。

6.2 封隔器性能試驗(yàn)

采用圖7的試驗(yàn)流程對(duì)表1中5種型號(hào)的防蠕動(dòng)擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行性能測(cè)試[15]，即，坐封壓力、密閉啟動(dòng)壓力、錨定力、層間承壓、解封壓力(液壓)等，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足表1的技術(shù)要求。

圖7 封隔器綜合性能試驗(yàn)裝置

截止2019年低，已在孤島油田、埕島油田、蓬萊油田等累計(jì)實(shí)施300余井次，現(xiàn)場(chǎng)施工成功率100%，驗(yàn)封有效率達(dá)到90%，最多分層數(shù)達(dá)到7層，延長(zhǎng)分注管柱的壽命1.5 a以上，層段合格率達(dá)到85%。對(duì)應(yīng)油井增油5 000 t，累計(jì)降本增效約￥2 000余萬(wàn)元。檢換作業(yè)50余井次，大修作業(yè)率為0。

7 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)的FMB系列防蠕動(dòng)擴(kuò)張式封隔器采用膠筒錨定，具有5種規(guī)格，適用于114.3 mm(4英寸)～ 244.5 mm(9英寸)套管，滿(mǎn)足了耐壓25 MPa、耐溫120 ℃的使用需求，平均使用壽命3 a以上。

2) 封隔器設(shè)置防蠕動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用表面優(yōu)化處理后的錨定膠筒，有效提高了封隔器的錨定性能，避免了鋼性錨定工具對(duì)套管的損傷；設(shè)置液缸機(jī)構(gòu)，將錨定所需液壓與油管液壓分開(kāi)，避免了注入流體對(duì)錨定膠筒內(nèi)部的影響，且錨定膠筒損壞時(shí)，不影響密封膠筒的密封效果。

3) 目前，該封隔器雖然實(shí)現(xiàn)了系列化，擴(kuò)大了其應(yīng)用規(guī)模。但是，在小卡距卡封、大壓差卡封井的應(yīng)用，仍具有一定的局限性；同時(shí)，經(jīng)表面處理后的膠筒性能仍需一定的機(jī)理研究和大量的室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4) 該封隔器的使用一定程度上改善了分注管柱的受力狀況，延長(zhǎng)了分注管柱的壽命，為提高勝利油田整裝、斷塊油藏的水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果提供了技術(shù)支撐。目前，勝利油田整裝、斷塊油藏分注井約3 500余口，隨著近年來(lái)長(zhǎng)壽命分注目標(biāo)的提出，其應(yīng)用前景好。

5) 隨著新材料、新工藝的進(jìn)步，擴(kuò)張式封隔器的長(zhǎng)效性能將得到進(jìn)一步的提升；同時(shí)，擴(kuò)張式封隔器作為配套管柱的主要分層工具之一，其使用效果與配管管柱的結(jié)構(gòu)形式、使用工況等密切相關(guān)?？梢?jiàn)，擴(kuò)張式封隔器的單點(diǎn)性能提升、不同工況下的管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化將是下一步研究的重點(diǎn)。