穿越型擴張式封隔器的研制與試驗

鄒明華，于繼飛，程心平，陳歡，杜孝友，段玉超，楊陽，李孟龍

(1.中海油研究總院有限責任公司，北京100028；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452)

0 前言

渤海油田大部分區塊屬于層狀砂巖油藏，縱向多套砂體，滲漏率極差大，非均質性嚴重，一般采用大段多小層籠統防砂，開采時只分為三到四大段，每個段內包括多個小層，油田開發后期段內矛盾突出：(1)注水井無法進一步細分層系注水，注水效果難以提升；(2)油井無法實現精細分層開采，特別是水平井，無法實施分層段的控水措施。

為了能夠進一步細分層系，提供油田整體開發效果，需要能夠在現有的防砂段基礎上，進一步把小層之間進行卡封，便于進一步的措施。根據現有技術情況看，篩管外與套管或者地方之間的封隔主要依靠化學類的堵劑[1-3]，或者將防砂管柱提出井筒重新下防砂管柱(該防砂管柱要求將封隔器放置在小層之間的隔夾層)，這種成本又太高。而防砂管柱內的封隔則依靠機械卡封實現[4-6]?，F有的管內卡封技術，難以與化學類堵劑配合形成有效密封，同時難以滿足渤海油田管柱作業對于封隔器需要穿越電纜或者鋼管等的作業需求。

1 技術現狀分析

渤海油田防砂段小層多，一口典型注水井完井管柱從上至下主要構成為頂部封隔器—篩管—(密封筒—隔離封隔器—密封筒)—篩管—(密封筒—隔離封隔器—密封筒)—篩管—(密封筒—隔離封隔器—密封筒)—篩管—盲堵，如圖1所示。以內徑為φ120.65 mm的密封筒為例，一般頂部封隔器內徑φ152.4 mm，篩管或者盲管/短節內徑為φ150.07 mm。

圖1 渤海油田常見防砂管柱示意Fig.1 Common sand control string in Bohai oilfield

在實施分層注水或者分層采油時，其管柱一般為滑套—油管—定位密封—油管—配水(產)器—油管—插入密封—油管—配水(產)器—油管—插入密封—油管—配水器(產)—油管—絲堵，如圖2所示。其中定位密封與頂部封隔器配合形成密封，各級插入密封與密封筒配合形成密封，各層一個配水(產)器進行各層配水(產)量的調節。其中定位密封和插入密封都是靠其橡膠與密封筒的內壁過盈配合實現的。

圖2 常規分注管柱示意 圖3 細分層注水示意Fig.2 Conventional separ- Fig.3 Subdivision layer ated injection string water injection

假設防砂段二還有兩個小層，小層之間有隔夾層，需要實施細分層系注水或采油時(見圖3)，除了在隔夾層的位置——篩管與套管之間進行封隔，還需要對防砂管柱內隔夾層的位置進行封隔，一般采用封隔器，但此處封隔器下井時要通過防砂管柱的最小內徑——密封筒。

2 穿越型擴張式封隔器

2.1 應用環境分析

假設密封筒內徑φ120.65 mm，則該封隔器外徑必須小于φ120.65 mm，然后能在φ150.07 mm的篩管或者盲管內坐封，如圖4所示，必然對封隔器的膠筒提出更高的要求。從國內外研究和實際應用分析，擴展式封隔器更適合這種過變徑的應用場合[7-11]。另外，封隔器不僅需要在此特殊條件下坐封，為了井筒安全，封隔器后期必須能解封，解封后外徑不能超過φ120.65 mm，這樣才能穿越密封筒，順利將管柱提出井筒。

圖4 封隔器應用環境示意Fig.4 Application environment of packer

2.2 結構及原理

如圖5所示：穿越型擴張式封隔器(專利號ZL201920682237.0)主要由上接頭、中心管、坐封部分、解封部分、電纜穿越與保護等組成。坐封部分主要由單流閥、彈簧、膠筒、坐封腔等組成；解封部分由解封釘、C環等組成。

圖5 穿越型擴張式封隔器結構簡圖Fig.5 Structure diagram of crossing expandable packer

其原理為：封隔器入井后，從中心管加液壓，當液壓力達到設計值，克服彈簧對單流閥的作用力后，將推開單流閥，液流進入外筒與中心管的環空，并流入膠筒部分，膠筒受內壓力，并開始擴展；當壓力增加到膠筒的坐封力后，封隔器完全坐封，由于膠筒一側設置有單流閥，另一側則完全密封，所以，當加壓停止后，單流閥的液流口將關閉，使壓力保持在坐封腔內，保持對膠筒的內擴展力，確保封隔器不會解封。當需要解封時，上體管柱將帶動中心管向上移動(圖5向左方向)，達到設計的解封力后，解封釘開始被剪切直至被剪斷；繼續上提管柱，當中心管上的泄壓口越過坐封腔密封部分，則坐封腔內的液體與坐封腔外互通，膠筒內外壓力平衡，膠筒將自行回縮，完成封隔器的解封；C環將掛住膠筒及其相關連接部件，一起被提出井筒，由于封隔器以下管柱與中心管連接，所以將隨中心管一起移動，并被提出井筒。

中心管上設置有穿越孔，穿越孔下端(圖5右側)為裸露狀態，穿越孔上端(圖5左側)設置有NPT母螺紋?，F場作業時，穿越封隔器時可以把電纜截斷，預留的長度大于封隔器長度，電纜由下端開始穿，從穿越孔的上端穿出來之后，通過專用的穿越接頭(見圖6)，將滾筒電纜下放并與封隔器上的預留電纜頭進行連接，采用專用電纜連接器(見圖7)連接、密封保護。在上接頭處設置有電纜連接器保護槽(見圖8)，把電纜連接器置于槽內，使電纜連接器外邊緣不會超過上接頭外圓。這樣電纜連接器能得到有效的保護，在下井或上提過程中避免被管壁刮蹭。

圖6 Swagelok NPT穿越接頭Fig.6 Swagelok NPT crossing joint

圖7 電纜連接器實物Fig.7 Cable connector

圖8 上接頭及其保護槽Fig.8 Upper joint and its protective groove

2.3 技術參數

最大外徑φ114 mm，內徑φ50 mm，工作壓差12 MPa，工作溫度120 ℃，坐封壓差3～12 MPa(根據需求)，解封力(4～8)×104N(可調)，適用套管規格φ139.7 mm、φ177.8 mm。

2.4 技術特點

(1)解封力小。

(2)單流閥設計，坐封泄壓后可保持坐封狀態。

(3)密封性能可靠。

(4)本體尺寸小，封隔內徑大。

(5)膠筒外徑小于工具本身的最大外徑，在作業過程中不易被劃傷。

(6)電纜有獨立的穿越通道，且穿越通道無彎曲，方便電纜穿越。

(7)采用長膠筒，能與篩管外的堵劑形成長距離的密封段，有利于有效分層。

(8)電纜穿越封隔器后，能被有效保護，且其橫截面投影不會超過接箍外圓投影，降低了電纜被井筒內壁刮蹭的風險。

3 試驗與分析

3.1 室內試驗

3.1.1 鋼管穿越試驗

將封隔器置于試驗臺上，將一段長度大于封隔器長度的鋼管沿著封隔器下端的穿越孔開始穿越，如圖9(a)所示，至封隔器從上端穿越孔出來，如圖9(b)所示，然后用swagelok NPT穿越接頭將其固定。管線處于自由狀態穿越，沒有人工扶直，穿越過程無任何遇阻，穿越接頭可正常固定、擰緊，符合現場作業需求。

圖9 鋼管穿越試驗Fig.9 Steel pipe crossing test:(a)start crossing;(b)crossing out

3.1.2 性能試驗

封隔器地面試驗主要包括兩個試壓試驗：一個試壓試驗是整體試壓試驗，檢驗封隔器整體耐壓性能，并檢驗封隔器膠筒擴張后的回縮性能及其他性能；另一個試驗是封隔器坐封后進行環空上、環空下的耐壓差試驗，主要是檢測封隔器的密封性能。

整體試壓。將封隔器的下端堵死，將封隔器裝入試驗工裝(見圖10)，試驗工裝內徑φ168 mm，從封隔器上端的中心管接入試壓泵，試壓泵采用小排量高壓專用試壓泵，用清水注入，壓力表起壓后繼續注入清水，至壓力達到16 MPa，保持憋壓狀態20 min，壓力基本無下降，泄壓，解封封隔器，起出封隔器進行觀察，封隔器膠筒無明顯損壞。

圖10 封隔器整體裝入Fig.10 Integrated installation of packer

環空試壓。如圖11所示將封隔器再次裝入試驗工裝，并將封隔器與試驗工裝的環空一端堵住，預留試壓孔，另一端環空則處于敞開狀態，先從中心管打壓至16 MPa，封隔器處于坐封狀態，然后將試壓流程接入環空的試壓孔處，從環空打壓16 MPa，壓力有微小下降，下降至15 MPa，保持20 min，壓力不降，另一端環空沒有水漬現象，泄壓。從另一端環空進行試壓，進行相同的操作，壓力同樣保持在15 MPa，保持20 min，壓力不降，泄壓，封隔器解封，起出封隔器，觀察封隔器整體無明顯損壞，膠筒無明顯變形。

圖11 封隔器環空試壓試驗Fig.11 Pressure test of packer annulus

從試驗結果看：封隔器的整體試壓和上、下環空試壓符合設計要求。

3.2 現場試驗

渤海油田一口水平井，由于高含水原因，需要進行分層控水措施，為此，需要在防砂篩管柱內使用封隔器進行隔夾層對應的管內分隔。該井地層溫度60.3 ℃，生產層位2 399.6～3 402 m，防砂管柱從上至下為頂部封隔器—磨銑延伸筒—快速接頭—篩管/盲管—密封筒—引鞋。頂部封隔器內徑φ152.4 mm，快速接頭內徑φ124.2 mm，篩管/盲管內徑φ157.1 mm，要在篩管/盲管內坐封封隔器，需穿越快速接頭。修井后的管柱在防砂段從上至下依次為定位密封—配產器—油管—穿越型擴張式封隔器—配產器—尾管—絲堵。其中配產器帶有流量計和壓力計。

穿越型擴張式封隔器隨修井管柱下入，并按照操作步驟進行了電纜穿越，按照作業設計方案，進行打壓，打壓至12 MPa，并保持10 min，坐封完成后，逐步恢復井口。啟泵生產，調整配產器的油嘴大小，通過2個配產器上的壓力計(管內壓)和流量計判斷穿越型擴張式封隔器已坐封，見圖12。從入井之后的生產情況來看，生產變化不大，從另一方面驗證了封隔器的密封性能。

圖12 不同狀態下兩個層段的壓力及流量Fig.12 Pressure and flow of two intervals under different conditions

通過現場試驗，可以看出穿越型擴張式封隔器能順利穿越小尺寸內徑的通道并在大尺寸內徑的管柱內坐封，電纜現場穿越順利，無遇阻，并能被有效保護，NPT螺紋接頭和封隔器整體密封性能可靠。

4 結論

為解決渤海油田大段防砂內層間矛盾突出、需要進行防砂管內封隔的問題，重點分析了完井管柱特點，對封隔器的使用環境進行了分析，研制了一種穿越型擴張式封隔器。該封隔器不僅滿足現有完井條件，也能適合不同的采油注水工藝。通過室內試驗和現場試驗，該封隔器能順利實現外徑φ6.35 mm的管線穿越，坐封、解封等功能正常，中心打壓16 MPa，上下環空承壓均可達15 MPa，最大可滿足φ157.1 mm內徑密封要求。