海上油田注水井?dāng)U張式封隔器性能評價(jià)研究

李良慶， 郭雯霖， 婁超， 張洪楠， 陳磊， 李英松， 時(shí)營磊

（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

當(dāng)前隨著油田開采難度的增加，采油技術(shù)隨之快速更新發(fā)展。擴(kuò)張式封隔器在分層注水工藝中是一類大量應(yīng)用的井下工具[1-2]。但封隔器所處的惡劣環(huán)境導(dǎo)致了封隔器服役期普遍較短[3-4]。對擴(kuò)張式封隔器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及性能提升是近年來諸多單位研究的重點(diǎn)，在產(chǎn)品投入使用前需要對其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)[5-8]。針對完井工具的井下模擬試驗(yàn)裝置可以很好地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[9]，已經(jīng)成功應(yīng)用在隨鉆測量儀、井下耐溫膠筒等井下工具的研制中[10]。

建立一套海上油田注水井?dāng)U張式封隔器的性能評價(jià)方法具有其必要性。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與工程經(jīng)驗(yàn)對擴(kuò)張式封隔器的環(huán)空密封性能、膠筒疲勞性能、防蠕動性能等細(xì)分性能參數(shù)進(jìn)行科學(xué)評判。不但可對產(chǎn)品的綜合性能進(jìn)行定性也可對后續(xù)改進(jìn)提供定量參考[11]。

本文對測試工具研制及評價(jià)方法建立進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。首先進(jìn)行了擴(kuò)張式封隔器測試工具的設(shè)計(jì)，該工具可通過各注壓接口的開閉組合達(dá)到各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)。其次對測試壓力曲線特征進(jìn)行了解釋。最后根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對擴(kuò)張式封隔器的技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)，并提出了一套性能評價(jià)方法。

1 測試工具總體設(shè)計(jì)

1.1 測試需求分析

針對于封隔器的特性，在其研制過程中需要進(jìn)行封隔器的坐封與解封性能測試、膠桶疲勞測試、環(huán)空密封性能測試等。

根據(jù)封隔器測試要求，測試工具需要提供井筒模擬環(huán)境，封隔器中心管注壓、保壓功能，井筒環(huán)空注壓、保壓，以及軸向密封加載等功能。

1.2 試驗(yàn)工裝研制

針對以上測試需求，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了多功能封隔器測試工具。如圖1所示，測試工具主要由套管、端蓋、背帽、背環(huán)及堵頭等構(gòu)成，在主體上設(shè)有坐封絲堵、排氣口等接頭。

試驗(yàn)中由套管與工具上、下密封配合提供井筒內(nèi)環(huán)境。1號試壓泵連接封隔器中心管注壓通道；2號與3號試壓泵連接環(huán)空注壓通道，分別提供了兩個(gè)注壓方向。在軸向加載測試中通過背帽與背環(huán)調(diào)節(jié)被測工具的軸向位移。

2 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)石油天然氣鉆采設(shè)備封隔器規(guī)范SY/T 5106-2019中對注水井?dāng)U張式封隔器的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)提出擴(kuò)張式封隔器評判指標(biāo)如下：1）封隔器本體驗(yàn)漏。驗(yàn)漏測試中產(chǎn)品內(nèi)注壓后保持15 min無明顯滲漏。2）坐封與解封性能。坐封與解封測試重復(fù)15次，每輪坐封穩(wěn)壓20 min。壓力值應(yīng)在設(shè)計(jì)值±10%區(qū)間內(nèi)。3）膠筒抗疲勞性能。膠筒抗疲勞性能需對封隔器重復(fù)15次坐封與解封過程，公稱直徑為90～115 mm時(shí)膠筒殘余變形不大于3%，公稱直徑為140～185 mm時(shí)膠筒殘余變形不大于4%。外觀檢查中無脫層、分層及雜質(zhì)氣泡等缺陷。4）環(huán)空密封性能。密封性能測試中向封隔器坐封后環(huán)空注壓并保持15 min且壓降小于1%，可認(rèn)定為合格。

3 性能測試及結(jié)果評價(jià)

3.1 被測對象

被測擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由中心管、活塞、膠桶組件、自鎖機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)等組成。

坐封時(shí)中心管壓力由注壓孔進(jìn)入膠桶內(nèi)，自鎖機(jī)構(gòu)作用后對膠桶保壓完成封隔器坐封。解封時(shí)壓力由封隔器外部泄壓孔導(dǎo)入推動活塞時(shí)解封機(jī)構(gòu)作用，完成封隔器解封。測試開始前需根據(jù)第2節(jié)中的“評判指標(biāo)1）”展開驗(yàn)漏測試，封隔器注壓保持15 min后無明顯滲漏，結(jié)果符合驗(yàn)漏標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 擴(kuò)張式封隔器測試工具

3.2 坐封與解封測試

1）將被測擴(kuò)張式封隔器裝入測試工具，經(jīng)中心管注壓。分別測試150、500、1000 psi時(shí)坐封壓力，到達(dá)目標(biāo)壓力后保壓20 min并記錄壓力數(shù)據(jù)。得到如圖4所示的坐封壓力曲線。重復(fù)以上過程15次，經(jīng)結(jié)果分析保壓過程中壓降小于10%，坐封性能符合評判標(biāo)準(zhǔn)。

2）對擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行解封測試?yán)L制成解封壓力分布散點(diǎn)圖。由圖5可知，在15次測試中不同坐封壓力下的解封壓力數(shù)值均落在規(guī)定數(shù)值區(qū)間內(nèi)。解封性能符合評判標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 坐封壓力曲線

圖5 解封壓力測試

3.3 膠筒疲勞測試

經(jīng)過15輪次坐封與解封測試后取出封隔器膠桶，檢查膠桶外觀并測量膠筒外形尺寸。膠桶外形尺寸如表1中所示，外觀符合評判指標(biāo)的要求。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，封隔器符合測試評判標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 環(huán)空密封測試

表1 膠桶疲勞測試數(shù)據(jù)

對封隔器在150 、500、1000 psi 三 組坐封壓力下環(huán)空密封性能測試步驟如下：

1）首先測試不同坐封壓力下極限環(huán)空密封壓力：對坐封后環(huán)空梯度注壓，在出現(xiàn)明顯壓降后取壓降前最大壓力作為極限環(huán)空密封壓力。

2）對不同坐封壓力下的環(huán)空注入對應(yīng)的極限環(huán)空密封壓力，穩(wěn)壓15 min后記錄環(huán)空壓力，圖6為測試中不同坐封壓力下的環(huán)空密封壓力。其壓降數(shù)值小于初始壓力值1%，環(huán)空密封性能符合評判標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 環(huán)空密封測試壓力

4 結(jié)論

1）對擴(kuò)張式封隔器在注水井應(yīng)用中的特性進(jìn)行了分析，坐封與解封性能、膠筒抗疲勞性能、封隔器環(huán)空密封性能決定封隔器整體工作性能的關(guān)鍵參數(shù)。并研制了可對以上參數(shù)進(jìn)行測定的測試工具。

2）針對擴(kuò)張式封隔器設(shè)計(jì)了完整測試流程，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與工程經(jīng)驗(yàn)制定了各項(xiàng)測試內(nèi)容的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3）對一款改進(jìn)后的擴(kuò)張式封隔器展開了試驗(yàn)，通過該評價(jià)試驗(yàn)的封隔器已成功應(yīng)用于渤海油田50口井次，成功率為100%,平均有效期為36個(gè)月，證明了該方法具有可靠性。