大通徑丟手封隔器的設計與試驗

徐貴春，曹慧祖，高　麗

大通徑丟手封隔器的設計與試驗

徐貴春1，曹慧祖2，高麗1

（1．江蘇油田石油工程技術研究院，江蘇揚州225009；2．江蘇油田試采二廠，江蘇金湖211600）

水平井高含水后，利用產液剖面測試可以準確定位出水位置，以便實施堵水工藝。由于受水平井完井管柱的限制，測試儀只能從油管中下入。因此，研究利用空心抽油泵實現測產液剖面的工藝，需要研發適合該工藝的大通徑丟手封隔器。介紹了適用于油田139．7 mm套管水平井產液剖面測試用大通徑丟手封隔器的結構、工作原理、材料選擇，并通過室內試驗，對封隔器的性能進行了評價，為該封隔器的現場應用提供技術保障。

封隔器；大通徑；設計；試驗

水平井因單井產能高、效益顯著，被油田廣泛應用于新區的開發和老區的挖潛。隨著水平井開發的深入，低效高含水的問題也逐步凸顯，水平井的找堵水便成了亟待解決的問題。目前，產液剖面測試是油井找水比較準確的方法［1］，但由于水平井井身結構特殊，且油田水平井均采用139．7 mm的管柱進行完井，測試儀無法經油套環空下到水平段實施測試。

水平井空心抽油泵產液剖面測試工藝是油田在研的一項新技術。測試找水時，測試儀通過油管、空心泵達到測試井段，大通徑丟手封隔器的作用是懸

掛空心抽油泵、封隔油套空間，同時其內通徑要滿足測試儀及輸送工具通過［2］。所以研發大通徑丟手封隔器對水平井空心抽油泵產液剖面測試工藝的成功實施具有重要意義。

1　封隔器工藝設計

1．1 結構組成

大通徑丟手封隔器主要由錨定、封隔、丟手、解封4個功能機構組成，結構如圖1所示。

錨定機構主要由錐體、卡瓦筒、卡瓦、片簧、限位套等組成，用于錨定管柱、懸掛空心抽油泵。

圖1　大通徑丟手封隔器結構

封隔機構主要由鎖環、鎖環套、推力套、膠筒、膠筒環等組成，工作時膠筒受擠壓橫向變形，密封油套環形空間。

丟手機構主要由丟手接頭、丟手鎖套、丟手鎖塊和丟手銷釘等組成，下井時通過丟手接頭連接于油管的底部。

解封機構主要由下連接套、解封剪釘、下接頭組成，具有連接空心抽油泵和解封封隔器的功能。

1．2 工作原理

1．2．1 坐封

油管加壓后，壓力通過中心管上的進液孔傳遞到液缸，剪斷坐封銷釘使得鎖環套、鎖環、推力套、膠筒等下移，上錐體推動卡瓦使其撐開，卡瓦齒牙嵌入套管壁。繼續加壓后剪斷銷釘，鎖環套、推力套向下移動，壓縮膠筒完成油套環空的封隔，卸去壓力后，鎖環套和鎖環完成鎖緊，卡瓦和膠筒保持工作狀態。

1．2．2 丟手

坐封完畢后繼續加壓，丟手接頭、丟手鎖套、丟手銷釘、鎖塊上移，當鎖塊運行至鎖塊槽內后，丟手鎖塊在徑向分力的作用下向外滑行，繼續上行丟手銷釘將被剪斷，丟手接頭與下井管柱一起脫離封隔器，便于完成抽油動作。

1．2．3 解封

測試完成后，上提油管，連接于丟手接頭上的空心管柱上移，其上設計的臺階到達下接頭處遇阻，達到一定拉力后解封銷釘剪斷，上下錐體下行，卡瓦回縮，膠筒復原，封隔器解封。

1．3 技術參數

研制的大通徑丟手封隔器的主要技術參數如表1所示。

表1　大通徑丟手封隔器的主要技術參數

1．4 技術特點

1） 適用于外徑為139．7 mm套管，大通徑丟手封隔器的內通徑達到了65 mm，滿足了產液剖面測試時儀器及輸送工具（爬行器或2″以下連續油管）的下入要求。

2） 采用步進鎖機構和內卡套聯合裝置，通過內卡套推動步進鎖向前運動來實現錨定和封隔，動作簡單，卡瓦和膠筒不回彈。

3） 雙膠筒設計，膠筒推力套、隔環及膠筒座設計有防膠筒膨脹后肩突的凹槽，膠筒硬度不同（上部膠筒硬度82 IRHD，下部硬度60 IRHD），密封性能更可靠。

4） 雙排雙向卡瓦［3］的結構設計，三片雙排卡瓦呈120°均勻分布，采用內置式卡瓦錨定，卡瓦與卡瓦筒之間有回復力極強片簧，解封后卡瓦回縮至本體內。

2　材料的選擇

根據大通徑丟手分隔器的結構、功能和各部件坐封下的應力分析，明確了各部件的作用及強度要求，為材料的選擇提供了依據。

1） 上下接頭、上下內卡套、限位套材料的選擇。上下接頭、上下內卡套、限位套選用具有較高強度的45鋼制成。

2） 中心管、鎖環、膠筒座、卡瓦筒等部件材料的選擇。中心管等部件需要材料具有優良的強度、韌性及加工性，因此選用42Cr Mo鋼。

3） 卡瓦材料的選擇?？ㄍ咴谧夂箦^定于套管，對強度的要求很高，故卡瓦材料選擇20Cr Mn Ti鋼。

4） 片簧材料的選擇。片簧的主要功能是封隔器解封后使卡瓦回縮，因此選用強度和彈性高的60Si2Mn彈簧鋼。

5） 膠筒材料的選擇。橋塞的膠筒不僅要具有高承壓性，而且還要具有耐高溫、耐油及耐酸堿等特性，因此選用丁晴橡膠。

3　室內試驗

室內試驗的目的是為了驗證大通徑丟手封隔器的性能指標能否達到設計要求，為改進完善其技術提供依據，同時為現場應用提供技術支持，試驗內容主要有3個方面。

1） 測試封隔器的坐封壓力及可靠性。

2） 驗證封隔器的密封性能。

3） 檢驗解封機構的穩定性和解封壓力。

3．1 封隔器坐封試驗

3．1．1 試驗裝置

采用圖2所示的試驗裝置對研制的大通徑丟手封隔器實施坐封試驗，設置壓力泵工作時壓力達到5、10、15、20 MPa時穩壓30 s。

圖2　封隔器坐封試驗裝置原理

3．1．2 試驗結果

坐封過程中記錄了坐封壓差的變化情況，如圖3所示，4 MPa左右時坐封銷釘剪斷，封隔器開始卡瓦錨定，8 MPa左右時銷釘剪斷，膠筒膨脹實現密封，21 MPa左右時丟手銷釘剪斷，丟手接頭與封隔器分離。這與設計壓力為4、8、20 MPa的銷釘剪斷壓力接近。

圖3　封隔器坐封試驗壓差變化曲線

3．2 封隔器密封試驗

為了驗證封隔器膠筒的密封性，坐封完畢后進行了封隔器密封試驗。

3．2．1 試驗裝置

采用圖4所示的試驗裝置對坐封后的封隔器進行密封試驗，同樣設置壓力泵工作時壓力達到5、10、15、20、25MPa時穩壓30 s，測試壓力上限30 MPa。

圖4　封隔器密封試驗裝置原理

3．2．2 試驗結果

試驗的壓力曲線如圖5所示，從封隔器上部套管加壓30 MPa，封隔器不漏，達到了設計要求。

圖5　封隔器密封試驗壓差變化曲線

3．3 封隔器解封試驗

為檢驗大通徑丟手封隔器的解封可靠性，確定解封拉力，進行拉力試驗，結果如圖6所示。拉力達到55 k N左右時，剪斷解封銷釘，成功解封。室內試驗得到的結果與設計的50 k N解封拉力基本一致，符合要求。

圖6　封隔器解封試驗拉力變化曲線

4　結論

1） 研發的大通徑丟手封隔器的內通徑達65 mm，能滿足139．7 mm套管水平井的產液剖面測試時測試儀和輸送工具的通過要求。

2） 大通徑丟手封隔器采用不同硬度的雙膠筒封隔，坐封后密封可靠。

3） 室內試驗結果顯示封隔器坐封、解封壓力基本達到設計要求，性能可靠，現場應用前景良好。

［1］ 楊萬虎．抽汲式產液剖面測井施工工藝［J］．內蒙古石油化工，2009（10）：153-154．

［2］ 劉猛，高進偉，熊萬軍，等．水平井井下儀器送進技術的現狀及發展建議［J］．石油礦場機械，2004，33（6）：16-18．

［3］ 楊芳．Y441E-114型雙向錨定封隔器的現場應用［J］．鉆采工藝，2009，32（4）：72-73．

Design and Test of Diameter Releasing Packer

XUGuichun1，CAOHuizu2，GAO Li1
（1．Petroleum Engineering Technology Research Institute，Jiangsu Oilfield Company，Yangzhou 225009，China；2．No．2 Oil Production Plant，Jiangsu Oilfield Company，Jinhu 211600，China）

The using of production profile testing can accurately locate the position of water in the horizontal well with high water cut．Because of constraints of the horizontal well completion string，tester can only enter from the oil tube into the lower．The hollow sucker rod pump was developed to realize the production profile testing．Meanwhile，large diameter releasing packer was developed．The structure design，working principle，material of large diameter releasing packer for horizontal well with 139．7 mm casing are introduced in this paper．The sealing performance of packer is evaluated by the indoor test，which provided technical guarantee for the application of the packer．

packer；large diameter；design；testin g

TE931．203

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．011

1001-3482（2015）02-0051-04