李志廣，閆永維，李風濤，張子佳，李 川

(中國石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280)①

ZY341型可洗井自驗封注水封隔器研制

李志廣，閆永維，李風濤，張子佳，李 川

(中國石油大港油田 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封困難的問題，研制了ZY341型可洗井自驗封封隔器。該封隔器采用液壓三級液缸坐封、上提油管解封；內、外中心管采取脫節(jié)式設計，解封力小；利用液體不可壓縮原理設計的自驗封機構可實現(xiàn)管柱內加壓驗封。試驗和應用結果表明，封隔器的工作壓差達到25 MPa，配備高溫膠筒后耐溫可達150 ℃，解封力小于30 kN?？蔀橛吞锞毣⑺鳂I(yè)提供可靠的封隔器。

封隔器；注水；可洗井；自驗封

在油田二次采油作業(yè)中，分層注水是實現(xiàn)油田長期高產穩(wěn)產、提高采收率的一項重要手段。其中，偏心分層注水工藝管柱應用較多，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現(xiàn)分層配注。然而，分層注水封隔器不具有檢驗封隔器密封性能的功能，分層注水管柱驗封極其困難。目前油田主要采用雙通路偏心配水器或投撈測配2種方式進行驗封，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封，可信度較低；投撈測配驗封耗時長，效率低，成本高，效果不理想。為此，研制了一種ZY341型可洗井自驗封封隔器，既能實現(xiàn)可洗井功能，又可實現(xiàn)自驗封功能。

1 技術分析

1.1 結構[1-2]

ZY341型可洗井自驗封封隔器主要由主體連接機構、自驗封機構、洗井機構、鎖緊解封機構、液壓機構和坐封機構6部分組成，如圖1。

1—上接頭；2—O形密封膠圈；3—內中心管；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。

主體連接機構包括上接頭、內中心管、固定活塞、下接頭，由上至下依次固定連接。

自驗封機構的焊接擋塊焊接在內中心管中上部凸臺，膠圈擋環(huán)安裝在內中心管中上部圓臺處，O形密封膠圈(序號17)安裝在膠圈擋環(huán)外圓與焊接擋塊內圓之間；外中心管安裝在內中心管外圓上，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。

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

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

液壓機構由壓帽、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肩限位；液缸套Ⅲ由銷釘與下接頭固定；活塞Ⅰ安裝在內中心管下端外圓上，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型可洗井自驗封封隔器連接在注水管柱中，按設計要求下入注水井預定深度。

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

3) 驗封。通過設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所需的壓力為17 MPa，若封隔器內加壓17 MPa無壓降，則密封良好，反之則密封失效。

4) 自驗封判別。當ZY341型可洗井自驗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，活塞不能將驗封套的剪釘剪斷(如圖2)，油套環(huán)形空間不能連通，管柱內壓降為0，可以判定封隔器膠筒密封良好；若壓力增至17 MPa 后，管柱內壓力迅速降低(如圖3)，可判定封隔器至少一個膠筒密封不嚴。

圖2 膠筒密封的自驗封機構示意

圖3 膠筒密封失效的自驗封機構示意

1.3 主要技術參數(shù)

最大外徑 ?114 mm

最小內徑 ?54 mm

解封力 <30 kN

坐封壓力 ≥10 MPa

驗封壓力 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 密封壓力計算

ZY341型可洗井自驗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為套管的內半徑；R0為密封元件的內半徑；R1為密封元件的外半徑；Δp為密封壓差；F0為坐封載荷。

ZY341型可洗井自驗封封隔器達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。

當密封壓差Δp為25 MPa時，F(xiàn)0≥30.667 kN。

當密封壓差Δp設定為50 MPa(滿足高溫高壓井況)時，F(xiàn)0≥51.51 kN。

即：ZY341型可洗井自驗封封隔器達到25 MPa密封壓差所需的最低坐封載荷為30.667 kN?？紤]封隔器密封元件在坐封中是可以過載的，ZY341型可洗井自驗封封隔器由兩級液缸提供坐封載荷，每級液缸在10 MPa壓力下可提供40 kN坐封載荷，兩級液缸提供坐封載荷80 kN。當ZY341型可洗井自驗封封隔器需要在高溫高壓井中使用時，可用三級液缸提供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 室內試驗

[5-6]

室內試驗所用ZY341型可洗井自驗封封隔器如圖4所示。

圖4 ZY341可洗井自驗封封隔器

3.1 密封性能與工作壓差試驗[7]

密封性能試驗原理如圖5所示。

圖5 密封試驗原理

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，放入試驗工裝內，1號試壓泵加壓至10 MPa，達到封隔器坐封所需的載荷，穩(wěn)壓5 min后，1號試壓泵繼續(xù)加壓至17 MPa，無壓降。

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

3) 試驗完畢后，將工具歸位。

室內試驗證明：ZY341型可洗井自驗封封隔器能夠承受17 MPa的內壓無滲漏；同時ZY341型可洗井自驗封封隔器能夠承受25 MPa的工作壓差，膠筒密封性能良好，可滿足現(xiàn)場使用要求。

3.2 自驗封性能試驗

利用圖5所示工裝檢驗ZY341型可洗井自驗封封隔器的自驗封判別性能。將該封隔器其中一個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，放入試驗工裝內，1號試壓泵加壓至10 MPa，達到封隔器坐封所需的載荷，穩(wěn)壓5 min后，1號試壓泵繼續(xù)加壓至17 MPa(驗封壓力)，工裝壓力表出現(xiàn)泄壓現(xiàn)象，通過該試驗方法可驗證：該封隔器可通過管柱內加壓17 MPa是否泄壓判別膠筒的密封狀況[8-9]。

4 現(xiàn)場應用[10-11]

ZY341型可洗井自驗封封隔器在大港油田應用10余套，現(xiàn)場應用結果表明，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型自驗封隔器、水井雙向錨(如圖6)。用1.2 g/cm3鹵水對油管正加壓2、4、8、10 MPa，分別穩(wěn)壓3 min，無滲漏(合格)；繼續(xù)加壓12、15、17 MPa，分別穩(wěn)壓3 min，與井內管柱連接壓力表顯示無壓降，表明封隔器膠筒密封良好，同時井口套壓顯示為零。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型自驗封隔器的膠筒密封良好，與封隔器自驗封判別機構得出的結論相同。

圖6 港×××井管柱結構

5 結論

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

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

3) ZY341型可洗井自驗封封隔器可通過內部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 基金項目：天津市科技計劃項目 “多壓力系統(tǒng)油層分采技術及配套工具研究與應用”(2012-XJR23010) 作者簡介：李志廣(1965-)，男，高級工程師，現(xiàn)從事機械采油研究工作，E-mail：yong2002043226@163.com。

1001-3482(2017)02-0058-04

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.013