API 11D1 V3等級(jí)懸掛封隔器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 亮，孔學(xué)云，李寶龍，左 凱，齊海濤，閆 紳，信召玲

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 （天津 300452）2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 （天津 300452）

封隔器是主要完井井下工具之一，是坐封在套管或裸眼中，封隔管柱之間或管柱與井眼之間的環(huán)形空間，阻止環(huán)形空間內(nèi)流體（液體或氣體）流動(dòng)的機(jī)械裝置。其主要功能：①封隔套管射孔段或裸眼段，滿足分層防砂、儲(chǔ)層改造、控水堵水等作業(yè)需要；②分層開采，防止層間流體串通、壓力干擾，滿足采油（氣）井生產(chǎn)和注水的封隔作用；③封隔油管與套管環(huán)空，起到保護(hù)套管和安全生產(chǎn)的作用；④懸掛管柱的作用[1]。

API 11D1[2]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定封隔器可分為V6～V0等級(jí)。其中：V6等級(jí)是封隔器的最低級(jí)別，根據(jù)廠家自行設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)試；V5～V4等級(jí)主要是滿足液體密封和軸向載荷要求；V3等級(jí)要滿足液體密封、軸向載荷和溫度循環(huán)同時(shí)測(cè)試要求；V2～V0等級(jí)要滿足氣體密封、軸向載荷和溫度循環(huán)同時(shí)測(cè)試，其中V0要達(dá)到0氣泡檢測(cè)要求。不同級(jí)別的封隔器應(yīng)用范圍不同，通常情況，V6～V4級(jí)別的封隔器主要應(yīng)用在常規(guī)的油井中，V3級(jí)別的封隔器應(yīng)用在對(duì)溫度和懸掛載荷有明確要求的油井中，V2～V0級(jí)別的封隔器主要應(yīng)用在高溫高壓的氣井中。

目前，海上油氣田使用的高溫高壓氣井封隔器（V2～V0）基本都是國(guó)外Baker、Halliburton等公司生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高溫高壓氣井封隔器（V2～V0）在新疆、四川等氣田中應(yīng)用[3-4]。

依據(jù)API 11D1 V3等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種懸掛封隔器，并提出了同時(shí)滿足“溫度、壓力、載荷”的封隔器測(cè)試方法和驗(yàn)證方法，為國(guó)內(nèi)更高級(jí)別的氣密封隔器研發(fā)和測(cè)試提供技術(shù)借鑒。

1　懸掛封隔器設(shè)計(jì)

1.1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

懸掛封隔器主要由坐封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)5部分組成[5]，如圖1所示。

1）座封機(jī)構(gòu)：位于封隔器上部，由壓套1、鎖環(huán)2、上鍵3、連接套6、剪切銷釘（1）7和上箍環(huán)8組成。封隔器坐封是通過專用液壓投送工具推動(dòng)座封機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)坐封。

2）鎖緊機(jī)構(gòu)：位于連接套內(nèi)部，由連接套6、鎖環(huán)3（帶單向鋸齒螺紋）、釋放接頭2（帶細(xì)齒爬行螺紋）組成。鎖緊機(jī)構(gòu)是防止座封后膠筒回彈，實(shí)現(xiàn)封隔器錨定和密封狀態(tài)的鎖緊可靠。

圖1　懸掛封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3）密封機(jī)構(gòu)：由膠筒9組成，主要是封隔油管和套管環(huán)空。

4）錨定機(jī)構(gòu)：由卡瓦套12、上錐體13、卡瓦14、板簧15和下錐體16組成，主要是建立管柱支撐點(diǎn)，將管柱壓力作用在套管上。

5）解封機(jī)構(gòu)：位于封隔器下部，由中心管5、彈性爪17、解封環(huán)18、解封螺釘19組成，解封由專用的解封工具，通過解封機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)解封。

1.2　工作原理

封隔器是套管井或裸眼井用來封隔油、氣、水層的專用井下工具[6]。它通過專用的坐封工具傳遞推力，推動(dòng)坐封機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，使鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖環(huán)向下移動(dòng)、密封機(jī)構(gòu)的膠筒和錨定機(jī)構(gòu)的卡瓦徑向漲開，最終鎖緊機(jī)構(gòu)起到上部鎖緊作用、卡瓦牙咬入套管起到下部錨定作用、膠筒漲開緊貼套管起到了密封油、套環(huán)形空間作用[7]。從而實(shí)現(xiàn)油、水井的分層采油、分層注水、分層改造和封堵水層，同時(shí)，卡瓦起到了懸掛和固定整個(gè)管柱的作用[8]。

1）封隔器下入到設(shè)計(jì)位置后，由井口向液壓坐封工具內(nèi)部打壓，推動(dòng)壓套向下運(yùn)動(dòng)，剪切銷釘(1)被剪斷，進(jìn)而推動(dòng)鎖環(huán)向下運(yùn)動(dòng)，由于鎖環(huán)（內(nèi)外均有鋸齒形螺紋）套在釋放接頭（帶細(xì)齒爬行螺紋）上，使得鎖環(huán)在向下運(yùn)動(dòng)時(shí)從釋放接頭的細(xì)齒螺紋上滑過，并不能返回；同時(shí)，推動(dòng)上箍環(huán)、膠筒、下箍環(huán)向下運(yùn)動(dòng)，并剪斷剪切銷釘（2），進(jìn)而推動(dòng)上錐體向下運(yùn)動(dòng)，卡瓦徑向漲開并咬入套管。當(dāng)繼續(xù)向液壓坐封工具加壓，推動(dòng)膠筒的作用力進(jìn)一步增大，使得工件繼續(xù)徑向膨脹緊貼套管，實(shí)現(xiàn)環(huán)空密封，完成坐封過程。

2）可以承受向上、向下的環(huán)空密封壓力，由于錨定機(jī)構(gòu)在密封機(jī)構(gòu)下部，可以承受向下懸掛力。

3）將專用的解封工具下入封隔器內(nèi)，解封工具的打撈體通過解封環(huán)，上提解封工具，打撈體徑向張開掛在解封環(huán)上，繼續(xù)上提解封工具，剪斷解封螺釘，帶動(dòng)解封環(huán)、中心管向上運(yùn)動(dòng)，使得上下錐體和卡瓦縮回，膠筒回彈收回，實(shí)現(xiàn)封隔器解封。

1.3　設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)

按照API 11D1 V3等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行懸掛封隔器設(shè)計(jì)，參數(shù)如下：

215.6mm（9 5/8"）套管、N80鋼級(jí)、18.16 kg（40磅），（內(nèi)徑224.4 mm、外徑244.48 mm）；座封力25±10%t；封隔器內(nèi)徑152.4 mm（6"）；封隔器卡瓦錨定力≥90 t；封隔器耐壓35 MPa（雙向）；封隔器承受靜載荷40 t；溫度循環(huán)區(qū)間40～90℃。

1.4　封隔器包絡(luò)線性能極限點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)封隔器結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)，并依據(jù)API 11D1 V3等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并繪制封隔器包絡(luò)線測(cè)試點(diǎn)。通過坐封工具對(duì)封隔器進(jìn)行套管內(nèi)坐封，并通過坐封工具施加上下載荷，坐封后可進(jìn)行上下腔驗(yàn)封，封隔器性能測(cè)試如圖2所示。

圖2　封隔器性能測(cè)試簡(jiǎn)圖

套管內(nèi)徑（D）為224.4 mm；坐封工具密封桿外徑（d1）為115 mm；封隔器密封筒內(nèi)徑（d2）為152.4 mm。

其中：A為面積，mm2；D為管柱直徑，mm。由此計(jì)算上下腔驗(yàn)封時(shí)，試驗(yàn)工具各處液壓面積計(jì)算結(jié)果見表1。依據(jù)力計(jì)算公式F=P×A和力平衡原理（其中F為上拉力或下壓力，t；P為測(cè)試壓強(qiáng)，MPa），由此計(jì)算封隔器包絡(luò)線各點(diǎn)試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)果見表2。

表1　封隔器上下腔驗(yàn)封時(shí)各處液壓面積

表2　封隔器包絡(luò)線各點(diǎn)試驗(yàn)參數(shù)

2　懸掛封隔器API 11D1 V3等級(jí)的測(cè)試

2.1　試驗(yàn)方法及步驟

依據(jù)API 11D1 V3等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照封隔器試驗(yàn)包絡(luò)線極限性能參數(shù)點(diǎn)，對(duì)懸掛封隔器進(jìn)行試驗(yàn)[9-11]。整套試驗(yàn)工具管串包括鉆桿短節(jié)+坐封工具+封隔器+試驗(yàn)堵頭，在套管內(nèi)坐封。試驗(yàn)步驟如下：

1）安裝試驗(yàn)工具，井筒加溫至約90℃，保溫15 min，記錄井筒溫度。

2）坐封封隔器，坐封壓力為（17.94±10%）MPa。

3）測(cè)試額定性能包絡(luò)線交叉點(diǎn)。①測(cè)試A點(diǎn)：向上拉伸至90 t，保持2 min，記錄載荷變化(此時(shí)卡瓦受到90 t上拉力)，卸掉載荷；②測(cè)試B點(diǎn)：先向上拉伸90 t，再上部驗(yàn)封打壓34.5 MPa，保持15 min，記錄載荷和壓力變化，先卸掉壓力，再卸掉載荷；③測(cè)試C點(diǎn)：上部驗(yàn)封打壓34.5 MPa，保持15 min，記錄載荷和壓力變化，先卸掉壓力，再卸掉載荷；④測(cè)試D點(diǎn)：向下壓縮40 t，保持2 min，記錄載荷變化，記錄向下位移量(此時(shí)膠筒承受40 t的壓縮載荷)，卸掉載荷；⑤測(cè)試E點(diǎn)：向下壓縮40 t，下部驗(yàn)封打壓34.5 MPa，保持15min，記錄壓力和載荷變化，先卸掉壓力，再卸掉載荷；⑥測(cè)試F點(diǎn)：下部驗(yàn)封34.5 MPa，保持15 min，記錄壓力變化，卸掉壓力；⑦測(cè)試A點(diǎn)：向上拉伸至90 t，保持2 min，記錄載荷變化，卸掉載荷。

4）降低井筒溫度至約40℃，保溫15 min，記錄井筒溫度。

5）重復(fù)步驟3。

6）升高井筒溫度至約90℃，保溫15 min，記錄井筒溫度。

7）重復(fù)步驟3。

8）降低井筒溫度至室溫，取出服務(wù)工具。

9）下入解封工具，回收封隔器。

1.人們未能從經(jīng)濟(jì)效益最大的價(jià)值角度來認(rèn)識(shí)商品包裝，整個(gè)包裝活動(dòng)缺乏完善、健全的設(shè)計(jì)規(guī)范，未能形成完善的約束機(jī)制和監(jiān)督體系。很多企業(yè)缺乏完善、科學(xué)的設(shè)計(jì)思維，存在過于重視設(shè)計(jì)、一味堆積元素等問題，這影響了當(dāng)前包裝設(shè)計(jì)的實(shí)用價(jià)值。

2.2　試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

根據(jù)上述測(cè)試步驟進(jìn)行封隔器測(cè)試，并記錄各點(diǎn)測(cè)試情況，最終繪制出封隔器性能包絡(luò)線。

封隔器按照“高溫-低溫-高溫”溫度曲線進(jìn)行了壓力和載荷的循環(huán)測(cè)試，封隔器在90℃時(shí)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)試曲線如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明封隔器滿足設(shè)計(jì)要求。

3　懸掛封隔器的具體應(yīng)用

該懸掛封隔器于2017年10月在渤海某油田某井成功完成了190.4 mm（812″）裸眼水平井礫石充填防砂作業(yè)。該井參數(shù)：生產(chǎn)井，造斜點(diǎn)2 592 m，全角變化率（°/30m）為2.61，造斜終點(diǎn)2 734.94 m，造斜段長(zhǎng)142.94 m，最大井斜角93.3°，終點(diǎn)方位29.27°，井底斜深2 740.88 m，井底垂深1 158.5 m，水平段長(zhǎng)度148.87 m，井底水平位移2 159.99 m，閉合方位21.75°，水垂比1.86。

作業(yè)過程中封隔器最大坐封壓力為17.5 MPa；過提20 t，下壓5 t；驗(yàn)封壓力21 MPa。結(jié)果表明封隔器錨定機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖3　90℃時(shí)封隔器極限性能點(diǎn)測(cè)試曲線

4　結(jié)論

1）通過對(duì)懸掛封隔器設(shè)計(jì)、測(cè)試和應(yīng)用，得知懸掛封隔器的錨定能力主要取決于卡瓦咬入套管后的承載能力。

2）API 11D1 V3等級(jí)懸掛封隔器是采用專門的坐封工具進(jìn)行坐封，專門的解封工具進(jìn)行解封回收，可應(yīng)用于水平井的油套環(huán)空密封和懸掛承載。

3）提出了同時(shí)滿足“溫度、壓力、載荷”3個(gè)參數(shù)的封隔器測(cè)試和驗(yàn)證方法，為國(guó)內(nèi)更高級(jí)別的氣密封隔器的研發(fā)和測(cè)試提供技術(shù)借鑒。