ZY341型可洗井自驗(yàn)封注水封隔器研制

李志廣，閆永維，李風(fēng)濤，張子佳，李 川

(中國(guó)石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280)①

ZY341型可洗井自驗(yàn)封注水封隔器研制

李志廣，閆永維，李風(fēng)濤，張子佳，李 川

(中國(guó)石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280)①

為解決注水管柱所用封隔器存在驗(yàn)封困難的問題，研制了ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器。該封隔器采用液壓三級(jí)液缸坐封、上提油管解封；內(nèi)、外中心管采取脫節(jié)式設(shè)計(jì)，解封力小；利用液體不可壓縮原理設(shè)計(jì)的自驗(yàn)封機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)加壓驗(yàn)封。試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明，封隔器的工作壓差達(dá)到25 MPa，配備高溫膠筒后耐溫可達(dá)150 ℃，解封力小于30 kN。可為油田精細(xì)化注水作業(yè)提供可靠的封隔器。

封隔器；注水；可洗井；自驗(yàn)封

在油田二次采油作業(yè)中，分層注水是實(shí)現(xiàn)油田長(zhǎng)期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、提高采收率的一項(xiàng)重要手段。其中，偏心分層注水工藝管柱應(yīng)用較多，其工藝原理是用封隔器將注水層位分開，水力卡瓦錨定管柱，采用鋼絲投撈偏心配水器中堵塞器更換水嘴來實(shí)現(xiàn)分層配注。然而，分層注水封隔器不具有檢驗(yàn)封隔器密封性能的功能，分層注水管柱驗(yàn)封極其困難。目前油田主要采用雙通路偏心配水器或投撈測(cè)配2種方式進(jìn)行驗(yàn)封，雙通路偏心配水器是通過比較密封段上、下壓力來確定封隔器的驗(yàn)封，可信度較低；投撈測(cè)配驗(yàn)封耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，成本高，效果不理想。為此，研制了一種ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器，既能實(shí)現(xiàn)可洗井功能，又可實(shí)現(xiàn)自驗(yàn)封功能。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)[1-2]

ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器主要由主體連接機(jī)構(gòu)、自驗(yàn)封機(jī)構(gòu)、洗井機(jī)構(gòu)、鎖緊解封機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)和坐封機(jī)構(gòu)6部分組成，如圖1。

1—上接頭；2—O形密封膠圈；3—內(nèi)中心管；4—銷釘；5—洗井閥套；6—O形密封膠圈；7—彈簧；8—彈簧座；9—洗井閥塞；10—O形密封膠圈；11—O形密封膠圈；12—膠筒上接頭；13—O形密封膠圈；14—外中心管；15—膠筒；16—壓膠塞；17—O形密封膠圈；18—試封套；19—銷釘；20—焊接擋塊；21—O形密封膠圈；22—膠圈擋環(huán)；23—活塞；24—壓帽；25—O形密封膠圈；26—鎖套；27—分瓣爪；28—銷釘；29—O形密封膠圈；30—解封套；31—銷釘；32—固定環(huán)；33—變扣；34—O形密封膠圈；35—液缸套Ⅰ；36—活塞Ⅰ；37—O形膠圈；38—O形膠圈；39—固定活塞；40—O形密封膠圈；41—活塞Ⅱ；42—O形密封膠圈；43—液缸套Ⅱ；44—固定活塞；45—活塞Ⅲ；46—液缸套Ⅲ；47—銷釘；48—下接頭。

主體連接機(jī)構(gòu)包括上接頭、內(nèi)中心管、固定活塞、下接頭，由上至下依次固定連接。

自驗(yàn)封機(jī)構(gòu)的焊接擋塊焊接在內(nèi)中心管中上部凸臺(tái)，膠圈擋環(huán)安裝在內(nèi)中心管中上部圓臺(tái)處，O形密封膠圈(序號(hào)17)安裝在膠圈擋環(huán)外圓與焊接擋塊內(nèi)圓之間；外中心管安裝在內(nèi)中心管外圓上，壓膠塞由膠筒限位安裝在外中心管外圓上，試封套安裝在外中心管外圓上，上端螺紋與壓膠塞連接，并通過銷釘固定；活塞由剪釘固定在在試封套外圓上。

洗井機(jī)構(gòu)包括洗井閥套、彈簧、彈簧座、洗井閥塞，由上至下依次安裝在內(nèi)中心管外圓上。彈簧座通過內(nèi)中心管外圓上部臺(tái)肩限；洗井閥套下端內(nèi)螺紋與膠筒上接頭外螺紋連接；膠筒上接頭內(nèi)螺紋與外中心管上端外螺紋連接，且用O形膠圏密封。

鎖緊解封機(jī)構(gòu)的分瓣爪內(nèi)螺紋與外中心管下端外螺紋連接，且有銷釘固定；解封套安裝在內(nèi)中心管外圓下端的臺(tái)肩上，由固定環(huán)限位；固定環(huán)鑲套在內(nèi)中心管外圓下端凹槽處。

液壓機(jī)構(gòu)由壓帽、鎖套、變扣、液缸套Ⅰ、活塞Ⅱ、液缸套Ⅱ、活塞Ⅲ、液缸套Ⅲ組成，依次螺紋連接。壓帽通過外中心管下端外圓上的臺(tái)肩限位；液缸套Ⅲ由銷釘與下接頭固定；活塞Ⅰ安裝在內(nèi)中心管下端外圓上，用O形膠圈密封，由變扣和固定活塞上下限位。

1.2 工作原理

1) 下井。將ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器連接在注水管柱中，按設(shè)計(jì)要求下入注水井預(yù)定深度。

2) 坐封與反洗井。在管柱內(nèi)加壓，活塞移動(dòng)剪斷銷釘壓縮膠筒，在封隔器自鎖機(jī)構(gòu)的作用下使膠筒保持壓縮狀態(tài)；需要反洗井時(shí)，在環(huán)空加壓開啟反洗井通道。

3) 驗(yàn)封。通過設(shè)定安裝在活塞的剪釘數(shù)量和剪釘直徑。確定剪斷剪釘使活塞移動(dòng)所需的壓力為17 MPa，若封隔器內(nèi)加壓17 MPa無(wú)壓降，則密封良好，反之則密封失效。

4) 自驗(yàn)封判別。當(dāng)ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器隨管柱下井，加壓10 MPa坐封后，繼續(xù)增壓至17 MPa，若上、下兩套膠筒密封嚴(yán)密，則上、下兩膠筒之間存在環(huán)形液柱，由于液體的不可壓縮特性，活塞不能將驗(yàn)封套的剪釘剪斷(如圖2)，油套環(huán)形空間不能連通，管柱內(nèi)壓降為0，可以判定封隔器膠筒密封良好；若壓力增至17 MPa 后，管柱內(nèi)壓力迅速降低(如圖3)，可判定封隔器至少一個(gè)膠筒密封不嚴(yán)。

圖2 膠筒密封的自驗(yàn)封機(jī)構(gòu)示意

圖3 膠筒密封失效的自驗(yàn)封機(jī)構(gòu)示意

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑 ?114 mm

最小內(nèi)徑 ?54 mm

解封力 <30 kN

坐封壓力 ≥10 MPa

驗(yàn)封壓力 17 MPa

密封壓差 25或50 MPa(高溫膠筒)

適用溫度 ≤120°或≤150°(高溫膠筒)

2 密封壓力計(jì)算

ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器的密封屬于接觸密封，接觸壓力是影響密封性的主要參數(shù)之一[3-4]。接觸壓力為

式中：pk為接觸壓力(應(yīng)力)；G為抗剪彈性模量；A1為元件變形后的橫截面積；R01為套管的內(nèi)半徑；R0為密封元件的內(nèi)半徑；R1為密封元件的外半徑；Δp為密封壓差；F0為坐封載荷。

ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器達(dá)到密封所需的最低坐封載荷為

F0≥0.111ΔpA1+GA1×

已知：ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器A1=7 510.9 mm2，G=1.27 MPa，R01=63.5 mm，R1=57 mm，R0=40.5 mm。

當(dāng)密封壓差Δp為25 MPa時(shí)，F(xiàn)0≥30.667 kN。

當(dāng)密封壓差Δp設(shè)定為50 MPa(滿足高溫高壓井況)時(shí)，F(xiàn)0≥51.51 kN。

即：ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器達(dá)到25 MPa密封壓差所需的最低坐封載荷為30.667 kN。考慮封隔器密封元件在坐封中是可以過載的，ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器由兩級(jí)液缸提供坐封載荷，每級(jí)液缸在10 MPa壓力下可提供40 kN坐封載荷，兩級(jí)液缸提供坐封載荷80 kN。當(dāng)ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器需要在高溫高壓井中使用時(shí)，可用三級(jí)液缸提供120 kN的坐封載荷，滿足高壓井況中密封元件50 MPa的密封要求。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

[5-6]

室內(nèi)試驗(yàn)所用ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器如圖4所示。

圖4 ZY341可洗井自驗(yàn)封封隔器

3.1 密封性能與工作壓差試驗(yàn)[7]

密封性能試驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 密封試驗(yàn)原理

1) 將封隔器下端接好絲堵，上端分別依次連接油管、試壓管線，放入試驗(yàn)工裝內(nèi)，1號(hào)試壓泵加壓至10 MPa，達(dá)到封隔器坐封所需的載荷，穩(wěn)壓5 min后，1號(hào)試壓泵繼續(xù)加壓至17 MPa，無(wú)壓降。

2) 封隔器坐封后，2號(hào)試壓泵加壓分別至10、15、20、25 MPa，各穩(wěn)壓3 min，檢測(cè)其坐封后的密封性能，并記錄數(shù)據(jù)；重新進(jìn)行第2次試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3) 試驗(yàn)完畢后，將工具歸位。

室內(nèi)試驗(yàn)證明：ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器能夠承受17 MPa的內(nèi)壓無(wú)滲漏；同時(shí)ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器能夠承受25 MPa的工作壓差，膠筒密封性能良好，可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3.2 自驗(yàn)封性能試驗(yàn)

利用圖5所示工裝檢驗(yàn)ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器的自驗(yàn)封判別性能。將該封隔器其中一個(gè)膠筒拆除模擬在井下使用中膠筒不密封，封隔器下接頭連接絲堵，上接頭分別依次連接油管、試壓管線，放入試驗(yàn)工裝內(nèi)，1號(hào)試壓泵加壓至10 MPa，達(dá)到封隔器坐封所需的載荷，穩(wěn)壓5 min后，1號(hào)試壓泵繼續(xù)加壓至17 MPa(驗(yàn)封壓力)，工裝壓力表出現(xiàn)泄壓現(xiàn)象，通過該試驗(yàn)方法可驗(yàn)證：該封隔器可通過管柱內(nèi)加壓17 MPa是否泄壓判別膠筒的密封狀況[8-9]。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[10-11]

ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器在大港油田應(yīng)用10余套，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，封隔器密封性能良好。以港×××注水作業(yè)井為例：2014-04，在港×××井下入絲堵、篩管、防吐球座、偏心配聚器、Y341-105型封隔器、油管分離器、偏心配聚器、Y341-114型封隔器、油管分離器、偏心配聚器、ZY341-114型自驗(yàn)封隔器、水井雙向錨(如圖6)。用1.2 g/cm3鹵水對(duì)油管正加壓2、4、8、10 MPa，分別穩(wěn)壓3 min，無(wú)滲漏(合格)；繼續(xù)加壓12、15、17 MPa，分別穩(wěn)壓3 min，與井內(nèi)管柱連接壓力表顯示無(wú)壓降，表明封隔器膠筒密封良好，同時(shí)井口套壓顯示為零。由于ZY341-114型封隔器處于管柱最上面的封隔器，套壓顯示為零，表明ZY341-114型自驗(yàn)封隔器的膠筒密封良好，與封隔器自驗(yàn)封判別機(jī)構(gòu)得出的結(jié)論相同。

圖6 港×××井管柱結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

1) ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器既能實(shí)現(xiàn)可洗井功能，又可實(shí)現(xiàn)自驗(yàn)封功能。

2) 試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明，可洗井自驗(yàn)封封隔器封隔器的工作壓差達(dá)到25 MPa，配備高溫膠筒后耐溫可達(dá)150 ℃，解封力小于30 kN。可為油田精細(xì)化注水作業(yè)提供可靠的封隔器。

3) ZY341型可洗井自驗(yàn)封封隔器可通過內(nèi)部17 MPa壓力判別膠筒的密封狀況。

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Development of Y341 Self-checked Packer for Well Flushing

LI Zhiguang，YAN Yongwei，LI Fengtao，ZHANG Zijia，LI Chuan

(PetroleumEngineeringInstitute，DagangOilfieldCompany，Tianjin300280，China)

In order to solve the problem of seal-checked in water injection pipe string，the ZY341 self-checked packer for well flushing has been developed，ZY341 packer with three hydraulic fluid cylinder to set can be released by lifting tube.Sealing is safe and reliable，and the outer center tube disjointed style design，the releasing force is small.The self sealing mechanism of packer configuration uses the principle of liquid non compression to realize pressure seal in the pipe string.Results of the test and application show that the working pressure difference of the packer reaches 25 MPa，the packer equipped with high temperature rubber can be resistant temperature 150 ℃，the releasing force is about 30 kN，which provides sealing test reliable packer for refining water injection in oil field.

packer；water injection；well flushing；self-checked

2016-10-16 基金項(xiàng)目：天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目 “多壓力系統(tǒng)油層分采技術(shù)及配套工具研究與應(yīng)用”(2012-XJR23010) 作者簡(jiǎn)介：李志廣(1965-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事機(jī)械采油研究工作，E-mail：yong2002043226@163.com。

1001-3482(2017)02-0058-04

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.013