低壓井平衡式Y211型封隔器卡封完井管柱研究與應用

韓中軒，李云濤，趙 爍，袁 琳，劉云龍

(1.吐哈油田分公司 工程技術研究院，新疆 鄯善 838202； 2.中國石油集團濟柴動力有限公司 成都壓縮機分公司，成都 610100)

Y211型封隔器主要用于分層采油、注水、找水、堵水、擠堵、酸化、壓裂等施工[1]。由于其結構簡單、操作方便，坐封和解封均通過機械上提下放來實現，作業風險較小，不會存在中途坐封的風險[2-8]，應用范圍非常廣泛。隨著油田的進一步開發，主力生產層壓力系數不斷下降、補層壓裂不斷增多，由層間壓差大造成封隔器解封風險增大的問題日漸突出[9]。因此，需開展相關技術研究對策，以解決低壓井中封隔器解封風險大的問題。

1 結構原理

Y211型封隔器結構如圖1所示。

圖 1 Y211型封隔器結構示意

坐封：封隔器下井過程中，摩擦塊在彈簧張力的作用下緊貼套管內壁下行，卡瓦和摩擦塊總成位于短軌道上死點；當封隔器下至預定位置時上提，卡瓦和摩擦塊總成由短軌道進入長軌道上死點；錐體推動卡瓦張開，使卡瓦咬合在套管內壁上形成支撐；同時，在一定管柱重力下膠筒壓縮，使膠筒的直徑變大，從而封隔油套管環形空間。

解封：上提管柱時，卡瓦和摩擦塊總成由長軌道進入短軌道上死點，并帶動錐體上行，使錐體退出卡瓦，膠筒也自動收回而解封。

2 存在問題

2017年，吐哈油田卡封完井管柱116口井，其中Y211型封隔器卡封完井占77.6%。但在低壓井(占比約30%)應用時，容易出現解封困難問題，影響新井投產效率。解封困難時通常通過灌液、活動解卡方式進行解封，平均影響施工工期1～1.5 d。如表1所示。

表1 解封困難井統計

3 原因分析

生產管柱結構如圖2所示。在長期開采后，主力生產層壓力系數不斷下降，形成低壓層，從而形成上、下兩層的生產壓差。

圖2 生產管柱示意

在原始和正常狀態下，解封載荷由管柱自重力、膠筒摩擦力和管柱摩擦力組成。

T=G+F1+F2

(1)

式中：T為解封載荷；G為管柱自重力；F1為膠筒摩擦力；F2為管柱摩擦力。

由于長期開采，造成底層低壓，從而形成的上下壓差，此時的解封力由管柱自重力、膠筒摩擦力、管柱摩擦力和上下壓差△p組成。

T=G+F1+F2+△p

(2)

由計算可知，長期開采后的生產壓差對解封力的影響非常大，導致部分井解封非常困難。通常采用灌液的方式或者大噸位上提活動解封，風險非常大，延長施工工期，增加了作業成本。

4 平衡式Y211型封隔器

為滿足低壓井的需求，提高工藝管柱的適應性，研制了新型帶平衡通道的Y211型封隔器。其解封原理如圖3所示，增加了平衡通道，以平衡封隔器上下壓差，克服因上、下壓差造成的附加載荷作用在管柱上而導致的解封困難問題。

圖3 平衡通道的解封原理

平衡通道結構如圖4所示。在設計帶平衡通道的Y211型封隔器時，要保證內通徑，實現下泵及其它工藝要求；控制最大外徑，滿足在合適的套管內順利下入。優化設計的平衡通道內徑為40 mm，外徑為42 mm，平衡通道面積為129 mm2。根據適用的介質條件和適應的溫度，密封圈材質選用丁腈橡膠。選擇標準和條件如表2所示。

圖 4 平衡通道示意

表2 密封材料選擇

由于新增設計了平衡通道，中心管的尺寸變動，成為整個封隔器最薄弱環節，需要對中心管進行強度校核。

1) 抗內壓。中心管外徑為80 mm、壁厚為9 mm，在承壓70 MPa時，內應力σt為276 MPa，應力分布示意如圖5所示。

圖5 中心管應力分布示意

2) 抗屈服強度校核。對中心管部件應力分析如圖6所示。得出最大值為 287.2MPa，而材料(35CrMo)的屈服強度為835 MPa。安全系數n=835/287.2=2.9，滿足強度要求。

圖 6 中心管應力云圖

平衡式Y211型封隔器結構如圖7所示。

圖7 平衡式Y211型封隔器結構示意

工具的室內試驗：工具的外徑為148 mm，總長為1 563 mm，內通徑為62 mm，上壓差70 MPa，下壓差為70 MPa，坐封壓力為60～80 kN。

通過室內試驗證明[10-13]：壓力70 MPa時密封良好；坐封載荷為60～80 kN，解封30 kN；重復多次坐封、解封可靠； 承上、下壓均達到70 MPa，承壓能力滿足設計和現場需求。

5 驗漏-完井一體化管柱

目前的生產管柱作業流程中，油管驗漏與完井管柱為兩趟管柱，施工工序較復雜，制約了油井投產的時效。為了實現一趟管柱滿足油管驗漏和卡封完井兩種不同的功能，研制了專用的油管試壓滑套。在下到位加壓驗油管是否破損，繼續加壓滑套落至篩管底部，下入抽油泵、抽油桿完井；實現驗漏-完井一體化管柱。如圖8。

專用油管試壓滑套結構如圖9所示。通過投球進行向油管內加壓，滿足油管試壓的目的。進一步提高試壓的壓力，剪斷球座的剪釘，球座下移落至篩管內，打開油管管柱內的通道，實現開采生產層的完井。試壓滑套的總長為300 mm，外徑為114 mm。

試壓滑套室內試驗：密封壓力達到70 MPa，密封性能良好；25 MPa壓力重復試驗10次以上，密封性能良好；打開壓力42 MPa。

圖8 驗漏-完井一體化管柱

驗漏-完井一體化管柱由兩趟管柱(驗漏1趟管柱+完井1趟管柱)簡化為一趟管柱。該管柱結構具有管柱結構簡單、成本低，坐封簡單可靠，解封時上提管柱，封隔器上、下腔溝通，解封載荷降低，解封更容易的優點。一趟管柱可完成驗漏、替油、完井作業，節約了作業時間和成本。

圖9 試壓滑套結構示意

6 現場應用

2018年，該管柱現場應用36井次，施工成功率100%。

截止目前，其中玉W2-18井因檢泵進行了起管作業，解封載荷降低約200 kN， 作業時長由24 h縮短至1.5 h，大幅提高了解封作業效率。

玉東204-105、玉平20井、玉21-20井是3口解封困難井，采用灌液等方式，解封載荷平均為650 kN；玉W2-18井在采用新型的帶平衡通道的Y211型封隔器后，解封載荷降低為440 kN，解封載荷降低約31%，效果非常明顯。

7 結論

1) 平衡式Y211型封隔器卡封完井管柱大幅降低了解封載荷，提高了解封時效。僅需上提即可平衡封隔器上、下壓差，無需水泥車向油管灌液，解封時長由24～36 h減少至1.5 h左右。

2) 采用專用試壓滑套，有效簡化了作業流程，提高了作業效率。原卡封作業中油管試壓與卡封完井分兩趟管柱進行，而該管柱實現了油管試驗與卡封完井一趟管柱作業，縮短油井投產時間8～12 h。

3) 具有平衡通道的Y211型封隔器，在通徑不變的情況下，工具本體及膠筒承壓均達到70 MPa，且具備平衡膠筒上下端壓差的能力，確保了解封的成功率，降低了作業風險。該封隔器還可拓展推廣到注水、壓裂管柱設計中。

4) 降本增效效果顯著，單井節約費用約￥2.2萬元，應用規模擴大后降本增效更明顯。