復合坐封式注氣封隔器的研制

田　啟　忠（勝利油田石油工程技術研究院，山東東營　257000）

復合坐封式注氣封隔器的研制

田啟忠
（勝利油田石油工程技術研究院，山東東營257000）

很多低滲透油藏布置注氣井，進行注氣驅油生產。現有的丟手式注氣管柱，利于后期換管作業，解決了Y211注氣管柱再次作業時需要大量放氣和難以壓井的問題，但出現了封隔器坐封不良、丟手工具丟不開的現象。設計了一種新型的可丟手式注氣封隔器，采用油管打液壓和下放管柱加壓的雙重作用坐封膠筒，提高其密封能力；可以投球進行液壓或機械丟手，后期可回接密封進行注氣施工。封隔器設計完成后，進行了室內模擬實驗及現場試驗，表明封隔器密封性能可靠，滿足了注氣工藝的現場需要，并且延長免修期，降低注氣成本，為注氣驅油技術的推廣奠定了基礎，應用前景廣闊。

特低滲；注氣；封隔器；回接；密封

近年來，特低滲油藏探明儲量在每年的低滲透新增探明儲量中所占比例呈增長趨勢，逐漸成為勝利油田低滲透新增儲量的主要類型。從研究機理及國內外開發效果來看，CO2驅油技術是大幅度提高低滲透油藏采收率的主要方法。

勝利油田在高89區塊選擇了部分井進行注CO2驅油的先導試驗。筆者對注氣管柱的關鍵部分—注氣封隔器進行了重點研究。

1 　注氣管柱

勝利油田早期在純梁采油廠高89區塊進行的注氣現場試驗均采用丟手式注氣管柱，其分體式丟手結構利于后期的換管作業，管柱結構見圖1。

圖1　丟手式注氣管柱結構圖

封隔器是整個注氣管柱中最為關鍵的工具，實現油套環空隔離，通過注氣管柱對封隔器以下層位進行注氣，同時保護油層上部套管不受CO2腐蝕［1］。在前期的注氣作業中，容易出現封隔器坐封不良，丟手工具也有丟不開的情況。由于工具性能不可靠導致了前期施工的失敗，必須研制一種新式封隔器，保證注氣工藝的順利實施。

2 　方案設計

2.1 設計思路

在前期研究的基礎上，形成了復合坐封式注氣封隔器的設計思路：采用油管打液壓和下放管柱擠壓坐封，提高密封能力；能實現液壓或機械丟手功能，并可以回接密封；考慮CO2的腐蝕性，為關鍵部件優選材質（丟手上接頭采用35CrMo，卡瓦采用20CrMoTi，其余主要部件采用3Cr13）；考慮井深及井溫條件，封隔器密封件優選耐高溫橡膠材料。

2.2結構設計

復合坐封式注氣封隔器結構如圖2所示。支撐套和連接套套裝在中心管上，在連接套的上部套裝膠筒和上錐體，和連接套上部的壓帽組成密封機構，膠筒之間通過隔環間隔；上錐體和下錐體套裝在連接套的中上部，在兩錐體之間安裝有卡瓦套，卡瓦位于上、下錐體之間，卡瓦牙從卡瓦套的開槽伸出［2］；下錐體下部連接液缸套，液缸套和連接套之間裝有坐封活塞和鎖緊套，兩者通過坐封剪釘固定在一起，中心管上對應坐封活塞的位置開有進液孔用來傳遞液壓力，中心管與連接套在軸向方向上通過解封剪釘固定；鎖緊套的下方設計有鎖緊螺紋，鎖緊螺紋上設有鎖環以實現鎖緊功能，鎖緊套最下端連接下接頭，方便與其他工具配套使用。回接筒和鎖爪套之間設有丟手活塞，上接頭下部本體設計為彈性分瓣鎖爪，鎖爪上設有倒扣螺紋，與回接筒上的倒扣螺紋配合連接后，丟手活塞由內向外將鎖爪頂緊固定；在上接頭和回接筒之間設置有球座，球座密封面之上設置有進液孔，投球后可以通過進液孔傳遞液壓力進行丟手動作。

圖2　復合坐封式注氣封隔器結構示意圖

2.3工作原理

首先組裝注氣丟手管柱，封隔器以下順次連接蝶板閥、注氣止回閥，在封隔器的丟手球座上連接內插管，內插管延伸至蝶板閥內，使蝶板閥處于打開狀態；管柱到位后，投入鋼球，注氣止回閥以上形成密閉空間，通過油管打液壓，推動封隔器的坐封活塞上行頂壓下錐體，剪斷坐封剪釘，下錐體繼續上行撐出卡瓦，將封隔器錨定在套管內壁上；同時，液壓反作用在鎖緊套上，帶動中心管下行，由于卡瓦已經固定，此時膠筒開始受擠壓變形，膠筒的變形通過下面的鎖環及鎖緊套鎖定；如果液壓力不夠，還可以將整個管柱下放加壓，增加膠筒形變量，提高封隔器密封效果。繼續打壓將注氣止回閥的滑套打掉，建立注氣通道。再次投球打壓，將丟手活塞打掉，上接頭下端的鎖爪失去支撐，上提管柱實現丟手動作；如果液壓動作失效，還可以正轉管柱，實現倒扣丟手。管柱上提后，帶動內插管從蝶板閥內拔出，蝶板閥自動關閉，密封下部空間，實現不壓井作業。

注氣施工時，下入由注氣密封插頭、反洗閥和水力錨組成的注氣管柱，將密封插頭插入封隔器的回接筒內形成密封，導引頭下探打開蝶板閥，實施注氣施工。注氣時反洗閥關閉，在壓力的作用下水力錨錨定在套管上，防止注氣時管柱蠕動；反洗閥可以通過環空反向打開，替入環空保護液；井下有臟物時也可以進行反循環洗井。如果需要更換注氣管柱，泄壓收回水力錨，即可起出注氣管柱，此時蝶板閥自動關閉，可以實現不壓井更換注氣管柱。

2.4 關鍵部件設計

2.4.1坐封結構設計

坐封活塞結構如圖3所示，其環形面積為

式中，S為坐封活塞的環形面積，mm2；R為活塞外環半徑，mm；r為活塞內環半徑，mm。

圖3　坐封活塞結構示意圖

為了保證封隔器坐封的可靠性，現場作業按照要求采用5、10、15、20MPa由低到高的漸進式液壓坐封，各階段液壓坐封時產生的推力為19.12 kN，38.24 kN，57.37 kN，76.49 kN。

2.4.2膠筒坐封距計算

根據坐封過程中膠筒體積相等原理計算坐封距L為

其中

式中，V1為膠筒坐封前總體積，mm3；V2為膠筒坐封后總體積，mm3；R1為坐封前的膠筒外半徑，取值56.5 mm；R2為坐封后的膠筒外半徑，取值62 mm；r為膠筒的內半徑，取值36.5 mm；h1、h2、h3分別為三只膠筒的長度，取值為80、70、80 mm；H為三只膠筒坐封后的總長度，mm；L為膠筒坐封距，mm。

封隔器坐封時鎖定套移動的相對距離等于膠筒壓縮的距離和卡瓦撐出的錨定距之和，因此為滿足封隔器可靠坐封要求，鎖定套的有效行程應大于上述距離之和，最終確定為136 mm［3］。

2.4.3丟手機構設計

丟手活塞結構如圖4所示，初步設計采用兩個M8的螺紋剪釘，材料為H62，經過計算總剪斷力為23.52 kN，則設計丟手壓力為

式中，p為設計丟手壓力，即作用在活塞環形面積上的液體壓強，MPa；F為兩個剪釘的總剪斷力，kN； S為丟手活塞環形面積，mm2；R為丟手活塞的外環形半徑，mm；r為丟手活塞的內環形半徑，mm。

圖4　丟手活塞結構示意圖

現場丟手操作時，需考慮封隔器以下地層壓力的影響，地面打液壓時要遠高于丟手設計壓力，為避免高壓丟不開手的情況，設計丟手壓力應低于10 MPa，因此設計的丟手壓力8.6 MPa符合現場施工的安全要求。

2.4.4密封件優選

對膠筒進行了有限元分析和接觸應力影響因素分析［4-5］，并且針對橡膠的高溫高壓使用條件，研究了10種橡膠配方在160℃高溫條件下的使用性能。通過實驗結果分析，以及綜合考慮拉伸強度、斷裂伸長率和質量體積變化率，氫化丁腈橡膠H1010-1的綜合性能最好。H1010-1在160℃高溫實驗后，肖氏硬度由73降至65，拉伸強度為12.8 MPa，保持60.3%，斷裂伸長率為290%，保持80.1%，質量變化率為19.4%，體積變化率為26.3%。因此，選擇氫化丁腈橡膠H1010-1用作注氣封隔器的密封件。

3　室內實驗

3.1地面實驗

注氣封隔器設計完成后，在地面對工具進行了性能試驗：將封隔器下端接絲堵，放置于專用的實驗套管中，在封隔器上接頭接試壓管線，依次打壓1=5、10、15、20 MPa，充分坐封封隔器，然后在試驗套管下接頭接試壓管線，打壓2=40 MPa驗證封隔器膠筒密封能力［6］。然后泄掉壓力2，將上接頭管線拆開投入鋼球，打壓進行丟手。丟手后用油管連接專用撈矛，撈住封隔器的回接筒，然后放至拉壓試驗機進行解封試驗，驗證解封力大小。實驗數據見表1，實驗參數與設計參數的差別在允許的誤差范圍之內，符合設計要求。

表1　封隔器性能試驗數據表

3.2井下模擬實驗

封隔器性能指標經過驗證后，對整個注氣丟手管柱進行了井下模擬實驗，管柱結構如圖5所示。將管柱組裝完畢后，下入地面試驗井中，將封隔器打壓坐封，下壓管柱進一步壓縮膠筒，再打掉注氣止回閥的滑套，投球丟手后起出上部管柱，再下入注氣密封插管進行回接密封，正打壓，驗證封隔器膠筒以及整個管柱的密封性。起出注氣管柱，下入撈矛，撈住封隔器回接筒，將整個管柱解封起出試驗井。

圖5　注氣管柱井下模擬實驗示意圖

通過井下模擬試驗，可以驗證整個注氣管柱的坐封、丟手動作良好，密封性能可靠，解封順利，技術指標達到了設計要求，可以應用于現場試驗。

4　現場應用

高89-1區塊為西南高、東北低的單斜構造，地層傾角為5～8°，內部發育為部分小斷層。儲層以粉砂質細砂巖為主，平均孔隙度為13.1%，平均滲透率為2.1×10-3μm2，為低孔特低滲儲層。

由于儲層滲透率低、油層條件復雜，該區塊大部分井采取大規模壓裂投產，近井區壓力釋放快，產量遞減快，若不采取補充能量方式，彈性開采最終采收率僅8.9%。由于該區塊井距大、滲透率低，注水開發難度大，經過多方面調研論證，決定在該區塊開展注CO2驅油先導試驗，實施情況見表2。

表2　高89-1區塊注入井情況統計表

復合坐封式注氣封隔器在高89-1區塊應用4口井，注入方式采取液態CO2連續注入，單井日注入量20 t；注入過程中根據現場實際情況及地質要求對注入量進行調整，其中高89-5井由于注氣壓力高而停注，其他3口井經過半年連續注氣，套管環空壓力平均上升1.5 MPa。注氣封隔器及留井管柱全部采用不銹鋼材質，能有效避免CO2引起的腐蝕問題，滿足現場注氣工藝要求。

5　結論

（1）采用雙作用坐封機構的復合坐封式注氣封隔器，能有效解決液壓坐封力不足的問題，強化封隔器密封件的壓實程度，提高了密封油套環空的能力。

（2）封隔器能實現液壓或機械雙重丟手功能，保證丟手動作的可靠性，并可以與注氣密封插管配合實現回接密封，簡化了注CO2的工藝管柱。

（3）通過室內及現場試驗，采用不銹鋼材質和耐高溫橡膠材料設計的封隔器密封有效期長，抗腐蝕能力高，能滿足深井及高溫井的高壓注氣條件，為注氣驅油技術奠定了基礎，應用前景廣闊。

［1］江漢石油管理局采油工藝研究所.封隔器理論基礎與應用［M］.北京：石油工業出版社，1983.

［2］王志堅，鄧衛東，林忠超，等.水平井封隔器卡瓦的有限元分析及結構改進［J］.石油鉆采工藝，2013，35（4）：78-81.

［3］劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒結構參數優化分析［J］.機械工程師，2007，（7）：66-67.

［4］劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒密封性能有限元分析［J］.石油礦場機械，2007，36（9）：38-41.

［5］伍開松，朱鐵軍，侯萬勇，等.膠筒系統接觸有限元優化設計［J］.西南石油學院學報，2006，28（6）：88-90.

［6］王當芳，黃兆芝，李敏，等.壓縮式封隔器膠筒密封性能的試驗研究［J］.石油機械，1990，28（4）：24-31.

（修改稿收到日期2015-03-06）

〔編輯李春燕〕

Development of composite setting-type gas injection packer

TIAN Qizhong
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology , Shengli Oilfield Company, Dongying 257000, China）

The gas injection wells have been placed in many low-permeability reservoirs for oil displacement. The present releasetype gas injection string is good for pipe replacement in later stage, solving the problems that a large amount of gas needs to be released and the well killing difficulty, when the Y211 gas injection string works again. However, in field test, problems occurred like poor packing setting and that release tools cannot be released. A new release-type gas-injection packer has been developed, which seats the rubber sleeve by both pumping liquid pressure through tubing and adding weight by lowering the pipe string, hence improving its sealing performance. Release can be realized hydraulically or mechanically by dropping ball, and later it can be tied back and sealed for gas injection. After the packer was designed, indoor simulation experiment and field test were performed, which show that the sealing performance of the packer is reliable, meets the onsite requirement of gas injection technology, extends the repair-free period, reduces the cost of gas injection and lays a good foundation for the promotion of drainage technology by gas injection and hence enjoys a promising application prospect.

extra-low permeability; gas injection; packer; tie-back; sealing

TE341

B

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0120 – 04

10.13639/j.odpt.2015.02.032

國家科技重大專項“CO2驅油油藏工程及注采工藝關鍵技術研究”（編號：2012BAC24B03）。

田啟忠，1984年生。2007年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，現從事修井、完井工作，高級工程師。電話：13561027100。E-mail：tianqizhongcs@163.com。

引用格式：田啟忠.復合坐封式注氣封隔器的研制［J］.石油鉆采工藝，2015，37（2）：120-123.