楔入式鋼骨架膠筒封隔器研制與應(yīng)用

王立勛

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）①

楔入式鋼骨架膠筒封隔器研制與應(yīng)用

王立勛

（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）①

為了適應(yīng)油田多級(jí)精細(xì)注水的需要，研制了楔入式鋼骨架膠筒封隔器。該封隔器膠筒內(nèi)部采用鋼骨架結(jié)構(gòu)，外部掛膠，坐封時(shí)利用錐形剛體插頭楔入鋼骨架膠筒中，撐開(kāi)膠筒貼在套管壁上進(jìn)行密封。解封時(shí)油套環(huán)空高壓液體推動(dòng)插頭和外筒接頭，使插頭退出膠筒，也可在作業(yè)時(shí)上提管柱逐級(jí)解封。該封隔器具有注水坐封、反洗井解封、大排量洗井、重復(fù)坐解封等特點(diǎn)。該封隔器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用4口井，應(yīng)用效果好，是一種現(xiàn)場(chǎng)操作可靠，且能夠滿足多級(jí)精細(xì)注水需求的井下封堵工具。

楔入式封隔器；鋼骨架膠筒；坐封；解封；洗井

目前，油田分層注水工藝普遍應(yīng)用壓縮式封隔器，為液壓坐封、上提解封、活塞式洗井機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著油田注水開(kāi)發(fā)細(xì)分級(jí)數(shù)的增加，壓縮式封隔器存在以下問(wèn)題：①壓縮式封隔器受結(jié)構(gòu)限制，活塞式洗井機(jī)構(gòu)隨著細(xì)分級(jí)數(shù)增加，洗井壓力和流量逐層損失，洗井效果較差；②壓縮式封隔器多采用上提管柱方式解封，使用級(jí)數(shù)越多拔管柱時(shí)載荷越大，造成起管柱時(shí)解封困難，影響部分井的細(xì)分調(diào)整；③壓縮式封隔器主通道縮徑對(duì)投撈測(cè)試工藝具有一定影響，使用級(jí)數(shù)的增加勢(shì)必給調(diào)配工作帶來(lái)問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了1種楔入式鋼骨架膠筒封隔器。該封隔器密封性好，注水坐封，反洗井解封，反復(fù)坐解封可靠，使用壽命長(zhǎng)，并能在作業(yè)時(shí)上提油管解封，有效實(shí)現(xiàn)注水井分層。

1 設(shè)計(jì)思路

楔入式鋼骨架膠筒封隔器主要應(yīng)用于分層注水工藝中，與配水器配套使用，隨油管一起下入預(yù)定井深，地面正常注水坐封，反洗井解封，在不反洗井作業(yè)時(shí)，可上提油管解封。該工具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上力求簡(jiǎn)單，機(jī)械加工方便。主要設(shè)計(jì)思路為：

1） 密封元件采用鋼骨架膠筒設(shè)計(jì)，即能保證膠筒的彈性，又能保證膠筒的剛性，使其密封可靠，延長(zhǎng)使用壽命。

2） 坐封部分采用錐形剛體插頭楔入鋼骨架膠筒中，撐開(kāi)膠筒貼在套管壁上，卡簧防止楔入椎體后退。

3） 解封部分采用2種方式：第1種方式是在正常生產(chǎn)時(shí)，反洗井實(shí)現(xiàn)封隔器解封；第2種方式是在作業(yè)時(shí)，上提管柱實(shí)現(xiàn)逐級(jí)解封。

4） 封隔器以油套環(huán)空為洗井通道，實(shí)現(xiàn)滿井筒大排量洗井。

2 技術(shù)分析［1-2］

2.1 封隔器結(jié)構(gòu)

楔入式鋼骨架膠筒封隔器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由上接頭、上外筒、插頭、中心管、下外管、下接頭、中心管下接頭、中外筒、外筒接頭、膠筒總成、中心管上接頭、剪釘?shù)冉M成。

圖1 楔入式鋼骨架膠筒封隔器結(jié)構(gòu)

2.2 鋼骨架膠筒結(jié)構(gòu)

鋼骨架膠筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，由密封橡膠和鋼質(zhì)骨架組成。鋼質(zhì)骨架采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，由26個(gè)彈簧片組成，膠筒材質(zhì)采用丁腈橡膠和氯丁橡膠混合，膠筒彈性好、耐高溫。鋼骨架膠筒用金屬的剛性來(lái)滿足橡膠的剛性，因此膠筒具有足夠的柔韌性和剛性，使膠筒在井下復(fù)雜環(huán)境下保持密封，并且能按照需要反復(fù)張開(kāi)收縮，實(shí)現(xiàn)封隔器的重復(fù)坐解封，延長(zhǎng)封隔器的使用壽命。

圖2 鋼骨架膠筒結(jié)構(gòu)

2.3 工作原理

1） 坐封 加壓時(shí)，高壓液體進(jìn)入上外筒與中心管和中外筒與中心管的環(huán)空內(nèi)，進(jìn)入上外筒與中心管環(huán)空內(nèi)的高壓液體推動(dòng)外筒接頭下行，同時(shí)進(jìn)入中外筒和中心管環(huán)空內(nèi)的高壓液體推動(dòng)錐形剛體插頭下行，實(shí)現(xiàn)二級(jí)壓縮推動(dòng)錐形剛體插頭向下移動(dòng)，使膠筒向外擴(kuò)張、行程達(dá)90 mm時(shí)，封隔器完成坐封。

2） 解封 有2種解封方式：①反洗井時(shí)，油套環(huán)空高壓液體推動(dòng)插頭和外筒接頭上行，使插頭退出鋼骨架膠筒，實(shí)現(xiàn)封隔器解封，該封隔器坐封、解封動(dòng)作可反復(fù)實(shí)現(xiàn)，反復(fù)使用不低于50次；②在不反洗井作業(yè)管柱時(shí)，可上提油管（80 k N）使解封銷(xiāo)釘剪斷實(shí)現(xiàn)解封，繼續(xù)上提油管實(shí)現(xiàn)下一級(jí)封隔器膠筒的逐級(jí)解封。

3） 洗井 反洗井時(shí)，油套環(huán)空高壓液體推動(dòng)插頭和外筒接頭上行，使插頭退出鋼骨架膠筒，實(shí)現(xiàn)封隔器解封，以封隔器與套管間環(huán)空為洗井通道，實(shí)現(xiàn)滿井筒大排量洗井。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

2.5 技術(shù)特點(diǎn)

1） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器密封方式為鋼件楔入膠筒，密封段長(zhǎng)達(dá)90 mm，密封效果好。

2） 密封元件為鋼骨架膠筒設(shè)計(jì)，密封性能好，密封插頭和膠筒的鋼骨架為金屬相互接觸，便于反洗井時(shí)順利解封。

3） 注水坐封，反洗井解封，在注水井作業(yè)時(shí)，可上提管柱解封，施工簡(jiǎn)便、安全可靠。

4） 內(nèi)通徑大，滿足多級(jí)注水測(cè)試需求。

2.6 內(nèi)中心管強(qiáng)度校核［3］

封隔器中心管M65×2螺紋牙為最薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

中心管材料為40Cr，內(nèi)徑為?55 mm，外徑為?65 mm，壁厚為5 mm。屈服極限σs＝785 MPa。假設(shè)最大拉力Q＝3.5×105N，螺紋牙外徑d＝65 mm。

2.6.1 剪切強(qiáng)度校核

2.6.2 彎曲強(qiáng)度校核

3 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

為了保證楔入式鋼骨架膠筒封隔器在井下工作的可靠性，在工具制成后，應(yīng)用2臺(tái)壓力試驗(yàn)機(jī)（50 MPa）及模擬套管的工裝進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：

1） 將封隔器安裝到試驗(yàn)工裝內(nèi)，連接好壓力試驗(yàn)機(jī)。

2） 封隔器中心管加壓至3 MPa，坐封活塞推動(dòng)錐形插頭動(dòng)作，6 MPa時(shí)坐封到位，穩(wěn)壓30 min，壓力保持不變。

3） 封隔器坐封后，向封隔器膠筒下方的油套環(huán)空加壓，壓力升至20 MPa，穩(wěn)壓30 min，封隔器膠筒不滲不漏。

4） 封隔器坐封后，向封隔器膠筒上方的油套環(huán)空打壓，壓力升至4 MPa，封隔器膠筒有溢流，壓力升至5 MPa時(shí)，有大量水流出，可知封隔器解封。

5） 將封隔器放入試驗(yàn)工裝內(nèi)，連接加壓泵裝置，反復(fù)坐解封50次，封隔器均能順利坐解封，膠筒無(wú)損壞。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證楔入式鋼骨架膠筒封隔器原理可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2012年至今共現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)4口井、20套工具，均下井成功，井層密封率達(dá)到100%，如表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2012-12，X137井由于原井下管柱封隔器失效進(jìn)行重配作業(yè)，下入7級(jí)7段楔入式鋼骨架膠筒封隔器分注管柱，作業(yè)后試驗(yàn)流程：坐封—驗(yàn)封—反洗井—測(cè)試洗井排量—坐封—驗(yàn)封。2次驗(yàn)封顯示各層均密封，洗井排量為68.5 m3／h，洗井徹底，效果好。該井于2013年反洗井2次，洗井排量大，效果好，洗井后進(jìn)行驗(yàn)封，各層段均密封。

截止發(fā)稿前，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用的4口井均正常生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器具有獨(dú)特的坐封機(jī)構(gòu)、密封元件及密封形式，提高了封隔器的密封可靠性和使用壽命，為封隔器密封設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器可單級(jí)卡封，也可以多級(jí)分層，滿足大壓差注水井多級(jí)分注的要求。

3） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)洗井通道設(shè)計(jì)，內(nèi)通徑大，滿足多級(jí)細(xì)分注水時(shí)測(cè)試的需要。

4） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器以油套環(huán)空為洗井通道，滿環(huán)空洗井排量大、效果好，解決了壓縮式封隔器7級(jí)以上封隔器洗井效果差的問(wèn)題。

［1］ 朱曉榮，吳雷澤，代理震.封隔器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2012.

［2］ 呂瑞典.油氣開(kāi)采井下作業(yè)及工具［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第2卷［K］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

Development and Application of Wedging Packer with Steel Skeleton Rubber

In order to meet the needs of the accurate subdivision water injection in oilfield，the wedging packers with steel skeleton rubber was developed.This packer rubber is steel skeleton rubber inside and hanging rubber outside.Packer setting when using tapered plug rigid body wedge into the steel skeleton rubber tube，does hold rubber tube sealing on the casing wall，packer releasing when tubing-casing annulus hyperbaric liquid pushing the plug and outer tube joint，make the plug out of rubber tube，can also be released gradually by lifting up the string.This packer is characterized by being set by water injection，being released by washing，being washed by large displacement and being repeatedly set and released.The wedging packers with steel skeleton rubber were tested in 4 wells with 100%success.It indicates that this packer is a downhole isolation tool with reliable in-situ operating performance and satisfies the need of accurate subdivision water injection in oilfield.

wedging packer；steel skeleton rubber；setting；releasing；washing

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.021

1001-3482（2014）11-0083-04①

2014-05-23

王立勛（1982-），女，黑龍江五常人，工程師，碩士，主要從事采油工程專業(yè)工作，E-mail：wlixun＠petrochina.com.cn。