楔入式鋼骨架膠筒封隔器研制與應用

王立勛

（大慶油田有限責任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）①

楔入式鋼骨架膠筒封隔器研制與應用

王立勛

（大慶油田有限責任公司第五采油廠，黑龍江大慶163513）①

為了適應油田多級精細注水的需要，研制了楔入式鋼骨架膠筒封隔器。該封隔器膠筒內部采用鋼骨架結構，外部掛膠，坐封時利用錐形剛體插頭楔入鋼骨架膠筒中，撐開膠筒貼在套管壁上進行密封。解封時油套環空高壓液體推動插頭和外筒接頭，使插頭退出膠筒，也可在作業時上提管柱逐級解封。該封隔器具有注水坐封、反洗井解封、大排量洗井、重復坐解封等特點。該封隔器現場應用4口井，應用效果好，是一種現場操作可靠，且能夠滿足多級精細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用壓縮式封隔器，為液壓坐封、上提解封、活塞式洗井機構設計。隨著油田注水開發細分級數的增加，壓縮式封隔器存在以下問題：①壓縮式封隔器受結構限制，活塞式洗井機構隨著細分級數增加，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，使用級數越多拔管柱時載荷越大，造成起管柱時解封困難，影響部分井的細分調整；③壓縮式封隔器主通道縮徑對投撈測試工藝具有一定影響，使用級數的增加勢必給調配工作帶來問題。

針對上述問題，設計了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，反復坐解封可靠，使用壽命長，并能在作業時上提油管解封，有效實現注水井分層。

1 設計思路

楔入式鋼骨架膠筒封隔器主要應用于分層注水工藝中，與配水器配套使用，隨油管一起下入預定井深，地面正常注水坐封，反洗井解封，在不反洗井作業時，可上提油管解封。該工具在結構設計上力求簡單，機械加工方便。主要設計思路為：

1） 密封元件采用鋼骨架膠筒設計，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時，反洗井實現封隔器解封；第2種方式是在作業時，上提管柱實現逐級解封。

4） 封隔器以油套環空為洗井通道，實現滿井筒大排量洗井。

2 技術分析［1-2］

2.1 封隔器結構

楔入式鋼骨架膠筒封隔器的結構如圖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、剪釘等組成。

圖1 楔入式鋼骨架膠筒封隔器結構

2.2 鋼骨架膠筒結構

鋼骨架膠筒結構如圖2所示，由密封橡膠和鋼質骨架組成。鋼質骨架采用優質彈簧鋼，由26個彈簧片組成，膠筒材質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，使膠筒在井下復雜環境下保持密封，并且能按照需要反復張開收縮，實現封隔器的重復坐解封，延長封隔器的使用壽命。

圖2 鋼骨架膠筒結構

2.3 工作原理

1） 坐封 加壓時，高壓液體進入上外筒與中心管和中外筒與中心管的環空內，進入上外筒與中心管環空內的高壓液體推動外筒接頭下行，同時進入中外筒和中心管環空內的高壓液體推動錐形剛體插頭下行，實現二級壓縮推動錐形剛體插頭向下移動，使膠筒向外擴張、行程達90 mm時，封隔器完成坐封。

2） 解封 有2種解封方式：①反洗井時，油套環空高壓液體推動插頭和外筒接頭上行，使插頭退出鋼骨架膠筒，實現封隔器解封，該封隔器坐封、解封動作可反復實現，反復使用不低于50次；②在不反洗井作業管柱時，可上提油管（80 k N）使解封銷釘剪斷實現解封，繼續上提油管實現下一級封隔器膠筒的逐級解封。

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

2.4 主要技術參數

2.5 技術特點

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

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

3） 注水坐封，反洗井解封，在注水井作業時，可上提管柱解封，施工簡便、安全可靠。

4） 內通徑大，滿足多級注水測試需求。

2.6 內中心管強度校核［3］

封隔器中心管M65×2螺紋牙為最薄弱環節，對其進行強度校核。

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

2.6.1 剪切強度校核

2.6.2 彎曲強度校核

3 室內試驗及現場應用

3.1 室內試驗

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，應用2臺壓力試驗機（50 MPa）及模擬套管的工裝進行了室內試驗。試驗步驟如下：

1） 將封隔器安裝到試驗工裝內，連接好壓力試驗機。

2） 封隔器中心管加壓至3 MPa，坐封活塞推動錐形插頭動作，6 MPa時坐封到位，穩壓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空加壓，壓力升至20 MPa，穩壓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空打壓，壓力升至4 MPa，封隔器膠筒有溢流，壓力升至5 MPa時，有大量水流出，可知封隔器解封。

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

通過試驗驗證楔入式鋼骨架膠筒封隔器原理可靠，滿足設計要求。

3.2 現場應用

2012年至今共現場試驗4口井、20套工具，均下井成功，井層密封率達到100%，如表1。

表1 現場應用情況

2012-12，X137井由于原井下管柱封隔器失效進行重配作業，下入7級7段楔入式鋼骨架膠筒封隔器分注管柱，作業后試驗流程：坐封—驗封—反洗井—測試洗井排量—坐封—驗封。2次驗封顯示各層均密封，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，洗井后進行驗封，各層段均密封。

截止發稿前，現場試驗應用的4口井均正常生產。

4 結論

1） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器具有獨特的坐封機構、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，為封隔器密封設計提供了寶貴經驗。

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

3） 楔入式鋼骨架膠筒封隔器內部結構無洗井通道設計，內通徑大，滿足多級細分注水時測試的需要。

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

［1］ 朱曉榮，吳雷澤，代理震.封隔器設計基礎［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［2］ 呂瑞典.油氣開采井下作業及工具［M］.北京：石油工業出版社，2008.

［3］ 成大先.機械設計手冊：第2卷［K］.北京：化學工業出版社，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工作，E-mail：wlixun＠petrochina.com.cn。