劉紅蘭

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000)

海上油田注水井液控式環(huán)空安全封隔器的研制與應用

劉紅蘭

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000)

針對埕島油田現(xiàn)有環(huán)空安全封隔器無洗井通道因而難以滿足開發(fā)要求的問題，在分析國內(nèi)外環(huán)空安全工具優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，研制了具有2條獨立液路(分別控制洗井和坐封機構(gòu))的液控式環(huán)空安全封隔器。該封隔器的頂部液路控制洗井機構(gòu)，液壓強制開啟洗井，液控管線泄壓后由雙重彈簧控制滑套，強制關(guān)閉；中部液路與底部液路相通，控制該封隔器與管柱油層部位的分層液控封隔器同時坐封；該封隔器設(shè)計有坐封鎖緊機構(gòu)，在緊急情況下，液控管線意外泄壓膠筒也不回縮，以達到控制環(huán)空安全的目的?；谌S井眼中管柱受力分析計算模型，根據(jù)環(huán)空安全工具的下入深度，確定了洗井結(jié)構(gòu)中心管的抗拉強度，并對液控式環(huán)空安全封隔器的性能進行了分析驗證。該封隔器在42口注水井進行了現(xiàn)場應用，結(jié)果表明，完成坐封后的滑套多次洗井作業(yè)，套壓始終為0 MPa，可有效保護海洋生態(tài)環(huán)境。研究認為，液控式環(huán)空安全封隔器不僅可以解決埕島油田現(xiàn)有環(huán)空安全封隔器無法解決的問題，也可以滿足其他海上油田安全環(huán)保開發(fā)的要求。

注水井；洗井封隔器；分層注水；埕島油田；海上油田

國內(nèi)海上油田注水井僅有控制油管內(nèi)部的安全閥以及安裝于采油樹上的井口安全閥，無井下安全控制系統(tǒng)，一旦發(fā)生平臺倒塌等意外情況，油套環(huán)空內(nèi)的液體會對海洋生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害。埕島油田是勝利油田投入開發(fā)的淺海油田，開發(fā)初期的油井安全控制系統(tǒng)主要依賴進口，采用的過電纜封隔器主要來自Baker Hughes公司、Halliburton公司和Weatherford公司等國外公司[1-2]。出于經(jīng)濟效益考慮，也為了自行解決海上油田注水井的井控安全問題，勝利油田進行了相關(guān)研究，開發(fā)出了適用于φ177.8和φ244.5 mm套管的無洗井功能的常規(guī)環(huán)空安全封隔器[3-5]，并將其應用于埕島油田，取得了一定效果。但隨著埕島油田開發(fā)的進一步深入，注水井逐步向“可以精細分層、精細配注、長壽命注水和大排量洗井”方向發(fā)展，井控安全要求越來越高。目前，埕島油田常用液控式分層注水工藝管柱[6]，主要井控安全工具自下而上依次為液控封隔器[7]、井下安全閥和井口安全閥。井下安全閥、井口安全閥分別為保護油管空間和井口采油樹的井控關(guān)鍵工具；液控封隔器是實現(xiàn)高效注水的保障工具，同時也能在一定程度上起到保護油套環(huán)空的作用，但一旦發(fā)生液控管線意外泄壓，膠筒縮回，就會失去對油套環(huán)空的保護作用。為此，筆者在分析國內(nèi)外現(xiàn)有過電纜封隔器[8]、液控滑套開關(guān)[9]及液控封隔器[10]優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，研制了洗井方便、坐封可靠的液控式環(huán)空安全封隔器，以解決埕島油田現(xiàn)有的環(huán)空安全封隔器無法洗井的問題，并進一步滿足海上油田注水井井控安全的控制需求和環(huán)保開發(fā)的要求。

1 液控式環(huán)空安全封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1設(shè)計思路

通過對比分析國內(nèi)外過電纜封隔器、液控滑套開關(guān)及液控式封隔器等相關(guān)工具的優(yōu)缺點，考慮埕 島油田特殊的生產(chǎn)開發(fā)環(huán)境和洗井要求，提出了以下設(shè)計思路：

1) 為保證該封隔器具有較高的抗拉強度，滿足下鉆安全要求，主要承拉件中心管采用35CrMo合金鋼材料，抗拉強度為835.0MPa，滿足API油管拉伸性能要求(N80油管抗拉強度為689.0MPa，J55油管抗拉強度為517.0MPa)；

2) 針對常規(guī)洗井閥受洗井不徹底或井筒雜質(zhì)影響大而導致密封不嚴實的問題，設(shè)計為獨立液路控制的滑套機構(gòu)[9]，由液壓強制開啟以及泄壓后復位彈簧強制關(guān)閉的方式，在底部設(shè)計單向開啟的復位閥，以確保井控安全；

3) 基于分層封隔器采用液壓控制坐封的方式，設(shè)計為獨立液路控制坐封機構(gòu)，完成坐封后由鎖環(huán)控制鎖緊機構(gòu)[10-11]；

4) 為保證滑套和反洗套之間的密封圈能夠適應井下洗井時的惡劣工作條件，選用組合盤根的方式，選用的調(diào)質(zhì)氫化丁腈橡膠的邵爾硬度達90A，高于目前普通的氫化丁腈橡膠的性能指標(邵爾硬度為65A)；另外，每根密封圈兩邊均設(shè)計有與反洗套內(nèi)徑一致的聚四氟乙烯環(huán)，以保證橡膠密封圈與滑套之間柔性接觸，提高其密封性和耐磨性。

1.2結(jié)構(gòu)及特點

根據(jù)上述設(shè)計思路，從工具的結(jié)構(gòu)與強度、海上油田特殊的井控要求、橡膠磨損件的材料優(yōu)選與組合設(shè)計等方面進行了優(yōu)化研究，設(shè)計出了液控式環(huán)空安全封隔器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液控式環(huán)空安全封隔器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of liquid controlled annular air safety packer1.上接頭；2.滑套；3.反洗套；4.復位彈簧；5.連接套；6.中心管；7.本體；8.膠筒；9.推桿套；10.坐封剪釘；11.鎖環(huán)固定套；12.鎖環(huán)；13.外套；14.活塞；15.鎖塊；16.解封剪釘；17.復位閥；18.小彈簧；19.下接頭

液控式環(huán)空安全封隔器主要由洗井機構(gòu)、坐封鎖緊機構(gòu)和解封機構(gòu)3部分組成。該封隔器的上接頭、下接頭用于連接φ73.0mm油管；洗井機構(gòu)主要由上接頭、滑套、反洗套、復位彈簧、中心管、復位閥和小彈簧組成，其中滑套和反洗套之間的密封采用組合盤根的形式；坐封鎖緊機構(gòu)主要由連接套、膠筒、推桿套、坐封剪釘、鎖環(huán)固定套、鎖環(huán)、活塞和鎖塊組成，其中活塞與本體和外套之間采用組合盤根的形式密封；解封機構(gòu)由解封剪釘組成，設(shè)計參數(shù)分別為：通徑62.0mm，工作壓差30.0MPa，坐封壓差18.0～20.0MPa，滑套開啟壓差10.0～12.0MPa，解封負荷40.0kN，下深≤500.00m，工作溫度≤120.0℃，連接φ73.0mm外加厚螺紋，適用于φ177.8和φ244.5mm套管。

液控式環(huán)空安全封隔器具有以下特點：1)與原液控分層工藝管柱液壓系統(tǒng)串聯(lián)起來，一次打壓液控式環(huán)空安全封隔器和管柱下部油層上、下部位的所有液控封隔器同步坐封，無需進行二次坐封作業(yè)，液控管線泄壓膠筒也不縮回，能夠?qū)τ吞篆h(huán)空安全起到有效保護作用；2)洗井滑套由液壓控制強制開啟，液控管線泄壓后滑套由雙重彈簧控制強制關(guān)閉，避免了反洗井后因井筒雜質(zhì)或上、下壓力差導致的密封不嚴現(xiàn)象的發(fā)生，可有效保護海洋生態(tài)環(huán)境；3)洗井通道環(huán)空面積大(達967.6mm2)，滿足海上油田大排量反洗井的要求。

2 液控式環(huán)空安全封隔器工作原理

液控式環(huán)空安全封隔器入井前，將2根φ6.35mm液控管線與其中部和上部液控接頭連接，其底部液控接頭與下部液控封隔器連接，2根液控管線通過保護器貼附在油管外壁隨井下工具按設(shè)計深度下入注水井內(nèi)。封隔器下至設(shè)計位置并在井口安裝采油樹后，由井口液壓裝置向中部液控管線內(nèi)泵入液壓油，使液控管線與油套環(huán)形空間形成壓力差，當此壓差作用在活塞上的推力大于坐封剪釘力時，剪斷坐封剪釘，工具內(nèi)液壓推動活塞持續(xù)上行，井口液壓裝置繼續(xù)加壓至達到設(shè)計坐封壓力值時，膠筒被充分壓縮完成坐封從而封隔油套環(huán)形空間。井口液壓裝置泄壓后，由于鎖環(huán)與推桿套之間馬牙扣的作用，封隔器始終處于坐封，和鎖緊狀態(tài)，以確保緊急情況下液控管線泄壓后的井控安全和環(huán)保。上提管柱，上接頭、滑套和本體隨中心管同步上移，當上提力超過設(shè)計解封剪釘力時，剪斷解封剪釘，鎖環(huán)與推桿套之間的馬牙扣失去相互作用力，膠筒縮回，完成解封。

洗井原理是：井口液壓裝置向上部液控管線內(nèi)泵入液壓油，當液控管線與油套環(huán)形空間的壓力差大于彈簧力時，彈簧壓縮，持續(xù)加壓則滑套下移，內(nèi)外洗井孔重合，洗井液進入洗井通道，當液壓力大于小彈簧力時，推開復位閥進行洗井作業(yè)。完成洗井作業(yè)后泄壓，在彈簧力的作用下強制關(guān)閉滑套，復位閥在小彈簧力作用下關(guān)閉。

3 安全性分析及驗證

3.1主要力學性能分析

3.1.1剪切強度和擠壓強度

液控式環(huán)空安全封隔器是為滿足海上油田日益嚴格的井控安全要求和海洋生態(tài)環(huán)境保護要求而設(shè)計的，其關(guān)鍵點為坐封鎖緊機構(gòu)洗井后的滑套復位設(shè)計。坐封鎖緊機構(gòu)采用鎖環(huán)方式，為保證推桿套與鎖環(huán)在工作時不變形，根據(jù)文獻[12]及現(xiàn)場經(jīng)驗，選擇70～90kN的坐封力和35CrMo合金鋼材料屈服極限835.0MPa以及第四強度理論，進行了剪切強度和擠壓強度的設(shè)計和計算，計算結(jié)果表明，該工具滿足井下管柱力學性能要求。

3.1.2彈簧復位性能

開啟滑套時采用液壓控制強制開啟，復位時用復位彈簧強制復位。為避免井筒雜質(zhì)導致密封不嚴，在底部設(shè)計了復位閥和小彈簧，洗井結(jié)束后，利用小彈簧的彈力關(guān)閉復位閥，確保井控安全。

要使滑套復位，小彈簧的彈力需大于靜液柱、液壓油和滑套的重力之和。計算可知，小彈簧的彈力為4.940kN，遠大于靜液柱重力(0.305kN)、液壓油重力(0.157kN)和滑套重力(0.050kN)之和，表明小彈簧的設(shè)計滿足性能要求。

3.2下入過程安全

首先分析下入過程中井下管柱所受重力對封隔器抗拉強度的要求。埕島油田注水井井深1800.00～2500.00m，注水管柱采用φ73.0mm外加厚油管，液控式環(huán)空安全封隔器下入深度一般為120.00m，可以確定其所承受的最大載荷為225.54kN，根據(jù)設(shè)計要求取安全系數(shù)約為最大載荷的1.5倍，故將該工具的抗拉載荷設(shè)計為338.0kN。

為了驗證液控式環(huán)空安全封隔器的抗拉強度能否滿足現(xiàn)場需要，對其中心管進行抗拉強度性能測試。將中心管放在抗拉強度試驗機上，然后施加軸向拉伸載荷至338.0kN，穩(wěn)載1.0min，中心管上接頭、下接頭未發(fā)生斷裂。試驗結(jié)果表明，該封隔器能夠滿足埕島油田最深井下入過程中的安全要求。

3.3環(huán)空安全

首先分析完成坐封并多次打開滑套再復位后油套環(huán)空的密封性。目前埕島油田注水井的注入壓力為0～25.0MPa，根據(jù)設(shè)計要求取安全系數(shù)約為最大注入壓力的1.5倍，再考慮其他因素，將環(huán)空安全密封壓力設(shè)計為35.0MPa。為了驗證環(huán)空密封壓力能否滿足現(xiàn)場需要，對液控式環(huán)空安全封隔器進行了環(huán)空密封性能測試。將該封隔器下部液控接頭連接φ6.35mmNPT絲堵，置入試驗井內(nèi)；中部坐封液控接頭連接手動試壓泵，分別以8.0，12.0，15.0和18.0MPa壓力各穩(wěn)壓5.0min完成坐封；上部滑套液控接頭連接手動試壓泵，經(jīng)過3次加壓(每次加壓10.0～12.0MPa)后泄壓，然后在油管內(nèi)加壓至35.0MPa，穩(wěn)壓10.0min，套管均無液體流出，說明該封隔器的環(huán)空密封能力能夠達到現(xiàn)場井控安全和環(huán)保的要求。

4 現(xiàn)場應用

截至目前，液控式環(huán)空安全封隔器已在埕島油田42口注水井中進行了應用，井口最大注水壓力26.4MPa，在井最長時間3.5年，經(jīng)歷多次洗井后套壓仍保持在0MPa，解決了常規(guī)環(huán)空安全封隔器無法洗井的問題，很好地保護了海洋生態(tài)環(huán)境。

以CB11NB-3井為例分析其應用效果。該井為φ177.8mm套管注水井，分2段注水，檢修作業(yè)前為液控測調(diào)一體分注工藝管柱，由于原井管柱留井達4年之久，液控封隔器下深1461.00和1483.00m，配注量175.0m3/d，油壓和套壓均為6.6MPa，顯示封隔器已經(jīng)失效，采油樹套管閘門處銹蝕穿孔發(fā)生輕微滲漏，存在井控安全隱患。2014年11月，對該井進行了檢修作業(yè)，分3段注水，其工藝管柱如圖2所示(其中頂部有液控式環(huán)空安全封隔器和安全閥，全方位進行井控安全保護)。

圖2 液控測調(diào)一體化分層工藝管柱結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural of integral hydraulic measuring and adjustment water injection pipestring for layered injection

完井后立即對液控環(huán)空安全封隔器的封隔效果進行驗證，首先將坐封液控管線泄壓至0MPa，通過平臺增壓泵從油管內(nèi)進行全井段試注，在泵壓30.0MPa條件下持續(xù)試注2.0h，觀察套管未返液；洗井液控管線加壓至12.0MPa，通過平臺增壓泵從油套環(huán)空內(nèi)進行反洗井試驗，泵壓5.0MPa，排量30.0m3/h，持續(xù)反洗井2.0h，油管返液正常；將洗井液控管線泄壓至0MPa，再次通過平臺增壓泵從油管內(nèi)進行全井段試注，在泵壓30.0MPa條件下持續(xù)試注2.0h，觀察套管，未返液。截至2017年5月，CB11NB-3井已經(jīng)經(jīng)歷了10余次洗井作業(yè)，套壓仍然為0MPa。

雖然液控式環(huán)空安全封隔器目前僅在埕島油田液控式測調(diào)一體化分層注水管柱中進行了應用，但其規(guī)格尺寸和力學性能也滿足其他海上油田液控式及非液控式空心單管注水井水驅(qū)開發(fā)井控安全的要求，有推廣應用價值。

5 結(jié) 論

1) 針對埕島油田注水井嚴格的環(huán)保及洗井要求，研制了適用于該油田的φ177.8和φ244.5mm套管注水井用液控式環(huán)空安全封隔器，解決了常規(guī)環(huán)空安全封隔器無法洗井的問題。

2) 室內(nèi)測試和現(xiàn)場應用表明，液控式環(huán)空安全封隔器的性能指標均達到設(shè)計要求，完善了液控分層注水工藝，滿足了埕島油田安全環(huán)保開發(fā)的需要。

3) 液控式環(huán)空安全封隔器既能滿足日常注水井控安全的需要，也能滿足大排量洗井的要求，在海上油田開發(fā)中具有很好的推廣應用價值。

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[編輯 令文學]

DevelopmentandApplicationofaHydraulicControl-TypeSafetyAnnulusPackerforWaterInjectorsinOffshoreOilfields

LIUHonglan

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstitute,ShengliOilfieldCompany,Sinopec,Dongying,Shandong,257000,China)

Without flushing channels,the conventional annular-safe packers used in the Chengdao Oilfield can hardly satisfy demands for adequate oilfield development.By analyzing the annular-safe tools in China and around the world,the hydraulic annular-safe packer with two independent hydraulic channels (for control over flushing and seating devices,respectively) has been developed.The hydraulic system in the top section of the packer can be used to control the over flushing devices:and flushing operations can be initialized under control of hydraulic pressure.Upon pressure release in hydraulic control pipelines,dual springs can be initialized to control the slip sleeve and close the system.The hydraulic system in the central part is connected with that in lower parts.Jointly,they may control the simultaneous seating of packer and the packer for layered injection in reservoir sections of the pipe string;The innovative packer is equipped with locking mechanism for seating.Under emergency conditions,the rubber barrel may not retract even in circumstances with accidental pressure releasing.In this way,the annular safety can be guaranteed.Upon successful development of the hydraulic annular-safe packer,calculation model for stresses on pipe string in 3D wellbore have been used to determine tensile strength of the central pipe in accordance with setting depths of annular-safe tools.During this research,the performance of the new hydraulic annular-safe packer has been reviewed prior to the application in 42 water injectors on site.Field application performances show that properly seated slip sleeves can effectively maintain casing pressure at 0 MPa after multiple flushing operations.Generally speaking,the innovative packer can provide effective protection over marine environments.Research results show that this hydraulic annular-safe packer can effectively solve problems in existing annular-safe packers in the Chengdao Oilfield.In addition,the newly-developed packer can satisfy demands for development of other offshore oilfields in safe and environment-friendly manner.

water injector;well cleanout packer;separate layer water injection;Chengdao Oilfield;offshore oilfield

TE953

A

1001-0890(2017)05-0103-05

10.11911/syztjs.201705018

2017-04-14；改回日期2017-08-22。

劉紅蘭(1970—)，女，江蘇泰興人，1993年畢業(yè)于石油大學(華東)鉆井工程專業(yè),高級工程師,主要從事淺海油氣田采油工藝研究及應用推廣工作。E-mail:liuhonglan.slyt@sinopec.com。

中國石化勝利油田分公司科技攻關(guān)項目“海上長效分層注水技術(shù)研究”(編號：YKC1403)資助。