高性能注水井生產(chǎn)封隔器研制與試驗

杜福云， 劉國振， 郭雯霖， 張立波， 鄭金中， 陳磊， 李英松

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300459；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 工程技術(shù)作業(yè)中心，天津300459）

0 引言

分層注水作為一種補充地層能量、提高原油采收率的重要手段[1]，近年來面臨著油層含水率高，層間矛盾突出等問題，發(fā)展智能化的精細化注水管柱是必然趨勢[2-3]。當前諸多機構(gòu)對注水管柱封隔器展開了研究[4-6]。李春梅[7]在常規(guī)封隔器基礎(chǔ)上設(shè)計了一款帶有電纜通道的封隔器，使用電纜固定組件由中心管外部穿過，實現(xiàn)了電纜密封。李小猛等[8]研制了一款適用于9-5/8 in套管的過電纜封隔器，中心管采用了偏心設(shè)計，為電纜穿越孔提供了充足空間，可承壓3600 psi（24.83 MPa）。劉鵬等[9]設(shè)計了一款大通徑的注采用封隔器，具有內(nèi)通徑90.1 mm, 承壓3600 psi（24.83 MPa）。

在一些吸水率較低的區(qū)塊井下壓力較高，同時測調(diào)一體工藝需要較多線纜下入?？偨Y(jié)分析同類產(chǎn)品的優(yōu)缺點后研制了一款適用于9-5/8 in套管的生產(chǎn)封隔器，該封隔器可雙向承壓，壓力等級7500 psi（51.72 MPa）。具有鎖塊限位的防提前坐封機構(gòu)，避免下入過程中遇卡后坐封銷釘剪斷導(dǎo)致的提前坐封。中心管設(shè)置了6條線纜穿越孔，同時保證了直徑為3.89 in（98.91 mm）的過流面積。

1 整體設(shè)計

如圖1所示，注水井生產(chǎn)封隔器由帶有線纜穿越孔的中心軸、膠筒組件、啟動活塞、坐封活塞、雙向卡瓦、膠筒襯管、坐封彈爪、防提前坐封機構(gòu)等部分組成。

圖1 封隔器結(jié)構(gòu)圖

本款封隔器用于注水井9-5/8 in套管，由單管液壓坐封，上提解封。雙向卡瓦設(shè)計可使封隔器雙向承壓，可配合液控洗井閥實現(xiàn)洗井功能。

1.1 工作原理

1）坐封時中心管壓力推動啟動活塞釋放鎖塊，坐封活塞拉動膠筒襯管及滑動套使卡瓦張開并擠壓膠筒膨脹，同時鎖環(huán)跳齒完成坐封。

2）解封時上提管柱，解封銷釘剪短后釋放解封限位環(huán)后坐封彈爪與坐封活塞脫開，釋放坐封載荷完成解封。

1.2 封隔器主要參數(shù)

表1 生產(chǎn)封隔器技術(shù)參數(shù)

表1展示了本封隔器主要技術(shù)參數(shù)，其上提解封拉力可根據(jù)具體工藝進行調(diào)節(jié)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

1） 密 封 應(yīng) 力 計算。根據(jù)封隔器設(shè)計理論[10]，接觸壓力是決定膠筒密封性能的主要參數(shù)。接觸壓力表達式如下：

式中：F為坐封力；S為膠筒變形后截面積，S=165.36；G為剪切彈性模量，G=1.27；Rp為套管內(nèi)徑，Rp=111.19；Ri為膠筒內(nèi)徑，Ri=53.11；Ro為膠筒外徑，Ro=103.94；Δp為密封壓差。

根據(jù)膠封隔器膠筒密封理論可將式（1）變形為

當環(huán)空密封壓力達到3000 psi（20.69 MPa）時，所需坐封載荷為94.59 kN；當環(huán)空密封壓力達到5000 psi（34.48 MPa） 時所需坐封載荷為140.48 kN；7500 psi（51.72 MPa）時所需坐封載荷為197.85 kN。

當坐封壓力達到3000 psi（20.69 MPa）時可以提供204.66 kN 坐封載荷?？蓾M足密封壓力達到7500 psi（51.72 MPa）時坐封載荷要求。

2）防提前坐封機構(gòu)。常規(guī)結(jié)構(gòu)通常由坐封剪釘限制滑動套相對中心管的移動，由于剪釘?shù)某休d力有限，管柱下入時遇卡容易使坐封剪釘斷裂而提前坐封。為避免封隔器外側(cè)受力導(dǎo)致坐封的問題，設(shè)計了圖2所示的防提前坐封機構(gòu)。其中滑動套及相關(guān)組件與中心管的相對移動由鎖塊限制，極大提高了承載力。只有中心管達到坐封壓力時鎖塊被啟動活塞釋放，封隔器開始坐封過程。

圖2 防提前坐封機構(gòu)

3）承載力更高的坐封機構(gòu)。圖3所示的坐封機構(gòu)中，鎖環(huán)內(nèi)外側(cè)均具有單向齒結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了坐封時鎖環(huán)受力狀態(tài)。常規(guī)鎖環(huán)結(jié)構(gòu)由鎖環(huán)截面與內(nèi)側(cè)齒面承擔主要載荷。雙向齒的鎖環(huán)結(jié)構(gòu)使用外側(cè)齒面代替鎖環(huán)截面受力，增大了受力面積并改變了鎖環(huán)受力方向。改進后的坐封機構(gòu)可承擔更高坐封壓力，進而保證了封隔器高壓密封性能。

圖3 坐封機構(gòu)

4）結(jié)構(gòu)緊湊。同一圓周上分布雙向卡瓦的設(shè)計有效縮短了封隔器軸向長度，緊湊的結(jié)構(gòu)可有效降低部件的加工成本。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)試驗

對本款封隔器9-5/8 in（224.4 mm）40#套管工裝內(nèi)展開坐封功能、膠筒密封及解封試驗測試，如圖4所示。

1）對封隔器中心筒注壓后，在1500 psi（10.34 MPa）時第一組剪釘切斷，1650 psi（11.38 MPa）時第二組剪釘切斷。3000 psi（20.68 MPa）坐封、穩(wěn)壓10 min后無明顯壓降，坐封成功，如圖5所示。

圖4 封隔器壓力測試

圖5 封隔器坐封壓力曲線

2）對封隔器坐封后密封性能進行測試，分別測試上、下環(huán)空密封能力。

對封隔器與套管環(huán)空階梯注壓，圖6、圖7所示的上、下環(huán)空達到7500 psi（51.72 MPa）保壓后無明顯壓降。測試結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3）使用液壓加載機對坐封后封隔器施加拉力，對封隔器上提解封過程進行測試。測試數(shù)據(jù)為26 000 kg，偏差小于10%，滿足設(shè)計要求。

3.2 下井試驗

室內(nèi)試驗通過后在陸地井場對本封隔器進行實地測試，實驗井首先下入9-5/8 in套管，工具管串由變扣短節(jié)、封隔器、坐封球座、浮鞋組成。

圖6 封隔器上環(huán)空密封壓力曲線

圖7 封隔器下環(huán)空密封壓力曲線

工具管串下入后封隔器深度位于365 m處，上提懸重18 000 kg，下放懸重20 000 kg。坐封后上環(huán)空驗封壓力3000 psi（20.69 MPa）, 球座剪切壓力3480 psi（24 MPa）。解封時最大上提懸重45 000 kg,經(jīng)計算解封力27 000 kg。通過實驗井測試，對本款封隔器進行了驗證，其性能指標滿足設(shè)計需求。

4 結(jié)論

1）為實現(xiàn)智能注水工藝，研制了本款生產(chǎn)封隔器。為測調(diào)機械手提供了線纜穿越通道，可配合配水器與隔離封隔器完成精細化分層注水。

2）防提前坐封機構(gòu)保證了封隔器坐封過程僅由中心管達到坐封壓力時開啟，可有效防止下入過程中封隔器外側(cè)受力導(dǎo)致的提前坐封。

3）優(yōu)化鎖環(huán)受力狀態(tài)的坐封機構(gòu)可承載較大坐封力，使封隔器具備高壓密封能力。

4）試驗表明該封隔器坐封、密封、解封等均具有良好性能，可滿足實際生產(chǎn)需要。具有廣闊的應(yīng)用前景。