FMB系列防蠕動擴張式封隔器研制及應用

李永康 ,孫金峰 ,何海峰2,劉晉偉,張衛衛,羅 楊

(1.中國石化勝利油田分公司 石油工程技術研究院，山東 東營 257000；2.中國石化勝利油田分公司 孤東采油廠，山東 東營 257237)

勝利油田的水驅動用儲量占油區總儲量的79%，年產油占總產油的74.3%以上，是油田穩定發展的基礎[1]。整裝、斷塊等中高滲油藏作為水驅開發的主陣地，“三率”水平持續提升對于油田穩產、提高采收率具有重要意義[2]。擴張式封隔器具有坐封方便、檢換可靠及成本低等優勢，廣泛應用于整裝、斷塊等油藏分注井，但是，使用壽命較短。據不完全統計，在陸上油田使用的平均壽命約為3 a。由于在注水、洗井、動停過程中，井下分注管柱會發生伸縮，造成封隔器蠕動、端部撕裂破壞等，使分注管柱密封失效[3-4]。

為了降低管柱蠕動對封隔器的影響，目前主要是使用水力錨、水力卡瓦等鋼制工具實現對管柱的錨定，從而解決管柱蠕動問題[5]。該方法對套管存在損傷，且受腐蝕、結垢的影響，后期檢管作業存在大修風險，造成巨大的經濟損失[6-7]。此外，還可以通過提高封隔器膠筒性能來延長其使用壽命。目前，主要措施包括：優化封隔器膠筒尺寸，使用耐溫、耐壓、抗剪切性能好的橡膠材料，并且采用特殊的防凸保護和肩部保護裝置等[8-9]。

本文針對上述問題，主要采用了優化封隔器結構、提升膠筒性能等方法，提高封隔器錨定力，延長分注管柱的壽命。

1 改進方案

通過設計膠筒錨定機構，實現對管柱軟錨定，降低錨定機構對套管的損傷[10-12]；優化錨定膠筒結構性能，提高其錨定力；設計液缸機構，降低注入流體對錨定膠筒內部的腐蝕，延長封隔器的使用壽命，降低后期檢換風險；設計坐封、密閉結構，實現密封膠筒的坐封、鎖緊，避免層間出砂、吐聚干擾；設計解封機構，2種方式實現密封膠筒的回收，在滿足生產過程中反洗井需求的同時，進一步降低后期檢換風險。

2 結構設計

2.1 總體結構

防蠕動擴張式封隔器的總體結構如圖1所示。主要由錨定結構、錨定傳力液缸(如圖2)、坐封-密閉結構、解封結構等組成[13-14]。其中，錨定結構主要由上接頭、上中心管、擋碗、錨定膠筒等組成， 提高封隔器的錨定性能。錨定傳力液缸結構主要由液缸套、液缸活塞等組成，主要起液壓力傳遞作用。坐封-密閉結構主要由密閉環、彈簧、下中心管、密封膠筒等組成，實現液壓坐封、泄壓不解封的功能。解封結構主要由洗井套、解封活塞等組成，滿足生產過程中反洗井及后期檢換的解封需求。

1—上接頭；2—上中心管；3—擋碗；4—錨定膠筒；5—液缸套；6—液缸活塞；7—連接件；8—洗井套；9—解封活塞；10—密封接頭；11—密閉環；12—彈簧；13—下中心管；14—連接筒；15—密封膠筒；16—下接頭。

圖2 錨定傳力液缸結構示意

2.2 膠筒表面溝槽結構

為了進一步提高封隔器的防蠕動性能，對錨定膠筒的表面進行了優化設計。在其表面設計溝槽，用于增大摩擦力。在長度為180 mm的封隔器膠筒表面設計了3種尺寸的溝槽，尺寸分別為(槽寬×槽數)：溝槽1(15 mm×12條)；溝槽2(20 mm×9條)；溝槽3(30 mm×6條)。溝槽在膠筒表面均勻分布，單個尺寸如圖3所示。

圖3 單個溝槽結構示意

3 工作原理

1) 坐封、錨定。注水時，油管來液經上中心管液壓孔推動液缸活塞上行，壓縮內部液壓油，使錨定膠筒緊貼套管，錨定管柱；同時油管來液經下中心管液壓孔，推動密閉環克服彈簧力下移，打開進液通道，使密封膠筒坐封。

2) 密閉、鎖緊。停注、泄壓時，錨定膠筒在自身彈性力作用下，回收解除錨定狀態；密閉環在內部液壓及彈簧力的作用下，關閉進液通道，使得密封膠筒始終處于脹封狀態，不會回收。

3) 解封。密封膠筒有2種方式實現解封：一是反洗井解封，反洗井時，解封活塞在入井流體作用下，推動密閉環下行，壓縮彈簧，打開進液通道，使膠筒內部液壓釋放，封隔器實現解封；二是正轉解封，正轉管柱時，連接件下移，推動解封活塞、密閉環下移，打開進液通道，實現密封膠筒解封。

4 技術參數

FMB系列防蠕動擴張式封隔器的技術參數如表1所示。

表1 防蠕動擴張式封隔器的技術參數

5 技術特點

1) 膠筒錨定。在膠筒表面設計有溝槽，提高了膠筒的錨定力。膠筒錨定結構提高了封隔器的防蠕動性能，減輕了對套管的損傷，延長了封隔器的使用壽命。

2) 錨定傳力液缸結構具有雙液壓系統，液缸內部灌滿液壓油，減少了地層流體的腐蝕結垢影響，提高解卡的可靠性，有效降低了大修的風險。即使錨定膠筒損壞，液壓油漏失，仍不影響密封膠筒的分層效果。

3) 坐封、密閉結構，停注時不解封，有效避免了層間竄流的發生。

6 試驗情況

6.1 膠筒錨定力測試

依據第2.2節的設計，制造3種尺寸溝槽類型的膠筒及無溝槽膠筒，如圖4所示。

設計膠筒錨定力測定裝置，如圖5所示。其原理如下：通過2號試壓泵將膠筒試驗工件脹封在套管內，然后通過1號試壓泵加壓推動與膠筒工件相連接的活塞。當膠筒試驗工件開始移動時記錄下泵壓，根據活塞的面積和泵壓就可以計算出不同脹封壓力下膠筒試驗件的錨定力。

1#—無溝槽；2#—30 mm×6條；3#—15 mm×12條；4#—20 mm×9條。

圖5 膠筒錨定力測試裝置

以?110 mm膠筒為例，通過試驗得出不同脹封壓差下、不同溝槽結構的膠筒錨定力，如圖6所示。

圖6 ?110 mm不同溝槽結構膠筒的錨定力曲線

結果表明：當坐封壓力達到5 MPa時，2#膠筒(溝槽尺寸30 mm×4條)的錨定力可達到102.6 kN，較無溝槽膠筒提升約30%。

6.2 封隔器性能試驗

采用圖7的試驗流程對表1中5種型號的防蠕動擴張式封隔器進行性能測試[15]，即，坐封壓力、密閉啟動壓力、錨定力、層間承壓、解封壓力(液壓)等，測試結果滿足表1的技術要求。

圖7 封隔器綜合性能試驗裝置

截止2019年低，已在孤島油田、埕島油田、蓬萊油田等累計實施300余井次，現場施工成功率100%，驗封有效率達到90%，最多分層數達到7層，延長分注管柱的壽命1.5 a以上，層段合格率達到85%。對應油井增油5 000 t，累計降本增效約￥2 000余萬元。檢換作業50余井次，大修作業率為0。

7 結論

1) 設計的FMB系列防蠕動擴張式封隔器采用膠筒錨定，具有5種規格，適用于114.3 mm(4英寸)～ 244.5 mm(9英寸)套管，滿足了耐壓25 MPa、耐溫120 ℃的使用需求，平均使用壽命3 a以上。

2) 封隔器設置防蠕動結構，利用表面優化處理后的錨定膠筒，有效提高了封隔器的錨定性能，避免了鋼性錨定工具對套管的損傷；設置液缸機構，將錨定所需液壓與油管液壓分開，避免了注入流體對錨定膠筒內部的影響，且錨定膠筒損壞時，不影響密封膠筒的密封效果。

3) 目前，該封隔器雖然實現了系列化，擴大了其應用規模。但是，在小卡距卡封、大壓差卡封井的應用，仍具有一定的局限性；同時，經表面處理后的膠筒性能仍需一定的機理研究和大量的室內、現場數據作進一步的驗證。

4) 該封隔器的使用一定程度上改善了分注管柱的受力狀況，延長了分注管柱的壽命，為提高勝利油田整裝、斷塊油藏的水驅開發效果提供了技術支撐。目前，勝利油田整裝、斷塊油藏分注井約3 500余口，隨著近年來長壽命分注目標的提出，其應用前景好。

5) 隨著新材料、新工藝的進步，擴張式封隔器的長效性能將得到進一步的提升；同時，擴張式封隔器作為配套管柱的主要分層工具之一，其使用效果與配管管柱的結構形式、使用工況等密切相關?？梢?，擴張式封隔器的單點性能提升、不同工況下的管柱結構優化將是下一步研究的重點。