高永華 陳欽偉 劉華偉 高寧波 于洪旭

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

海上油田在開發(fā)開采過程中，為了實(shí)現(xiàn)油田的最大利益化，需要對油水井進(jìn)行精細(xì)分層生產(chǎn)、分層注水，插入密封及井下封隔器在這一開采工藝中扮演著重要角色。海上油田油水井多采用先期防砂開采方式，在現(xiàn)有的油水井的分采分注及相關(guān)措施作業(yè)中，全部依靠井下封隔器密封筒和插入密封配合來實(shí)現(xiàn)分層，一旦密封失效，分采分注及相關(guān)措施作業(yè)均無法正常實(shí)施［1-7］。隨著防砂管柱下入時間的增加以及頻繁的起下管柱等修井作業(yè)，一些井下封隔器內(nèi)的密封筒出現(xiàn)了磨損、腐蝕等狀況，與常規(guī)插入密封配合無法達(dá)到密封效果，導(dǎo)致油水井無法達(dá)到分層開采的目的。目前使用的普通插入密封裝置由于密封模塊膨脹量較小不能起到層間分隔的作用，需要開發(fā)一種膨脹量較大且能夠在受損的井下密封筒中起到密封作用的新型插入密封。

1 壓力膨脹式插入密封結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 壓力膨脹式插入密封結(jié)構(gòu)

新型壓力膨脹式插入密封必須具有補(bǔ)償損壞密封光筒破壞點(diǎn)的作用，而且膨脹量要比普通插入密封大，在壓縮膠筒擴(kuò)徑后遇到上一級密封段時，需使壓縮力自動釋放，壓縮密封模塊自動恢復(fù)原狀，保證密封模塊不會被擠壓破損，從而保證既能主動密封，又能順利解封起出［8］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由移動活塞、支撐卡瓦、移動環(huán)及剪釘?shù)葮?gòu)件組成。

圖1 壓力膨脹式插入密封結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of pressure expansion insert seal

壓力膨脹式插入密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）適用于輕微腐蝕、輕微磨損或損壞程度不超過4個深0.5 mm、寬20 mm凹槽形狀的軸向傷害的工作筒；（2）解封力小，密封性能可靠；（3）壓縮膠筒擴(kuò)徑后遇到上一級密封段時，壓縮力自動釋放，壓縮膠筒自動恢復(fù)原狀，不會擠壓破損；（4）兩端連接尺寸與常用隔離密封工具尺寸一致，充分保證工具的互換性，也可與常規(guī)插入密封工具配合使用；（5）用于支撐限位的卡瓦，充分利用金屬材料本身的彈性，采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不易落井；（6）壓縮膠筒外徑小于工具本身的最大外徑，在作業(yè)過程中不易被劃傷。

1.2 尺寸設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

依據(jù)海上油田井下密封筒內(nèi)徑為?82.55 mm、?98.55 mm、?101.60 mm、?120.65 mm、?152.4 mm，設(shè)計(jì)對應(yīng)規(guī)格的插入密封并對插入密封膠筒進(jìn)行強(qiáng)度校核。

以?82.55 mm規(guī)格密封筒為例，處于工作狀態(tài)的膠筒軸向受力狀態(tài)如圖2所示，其受力平衡方程為

式中，F(xiàn)m為膠筒與密封筒間的摩擦力，N；Ft為膠筒的抗剪切力，N； Δp為膠筒承受的工作壓差，kPa；R2為膠筒外半徑，cm；R3為密封筒內(nèi)半徑，cm；T為橡膠所受剪應(yīng)力，kPa；f為膠筒與密封筒之間的靜摩擦系數(shù)；prw為膠筒與密封筒間的接觸應(yīng)力，kPa；H0為膠筒工作狀態(tài)下的長度，cm。

圖2 膠筒受力分析情況Fig. 2 Force applied on the rubber barrel

假設(shè)膠筒壓縮前后體積不變，則

式中，R1為膠筒內(nèi)半徑，cm；H為膠筒自由高度，cm。

膠筒能承受的壓差取決于接觸應(yīng)力prw，

式中，pr為膠筒受機(jī)械軸向力坐封產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，kPa；pr1為膠筒受液壓壓差作用產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，kPa。

由式（5）可得

式中，μ為膠筒的泊松比；F為膠筒坐封時承受的軸向力，N；E為膠筒的彈性模量，kPa；pz為膠筒承受壓差時高壓端壓力，kPa。

膠筒坐封時承受的軸向力為

將式（9）代入式（8）可得

由式（10）和式（4）可得

從式（11）可以看出，膠筒的自由高度H是由Δp，pz，f，T，R1，R2，R3等參數(shù)來確定的。密封筒內(nèi)半徑R3為確定值，膠筒外半徑R2可根據(jù)封隔器允許最大外徑確定，膠筒內(nèi)半徑R1可根據(jù)中心管允許最小外徑確定，橡膠的允許應(yīng)變［ε］應(yīng)小于0.3，一般取0.25，則可確定出R2、R1。膠筒的剪應(yīng)力T，如果用膠筒允許剪應(yīng)力［t］代替，則Δp為最大耐壓差值。而［t］=橡膠抗張強(qiáng)度/4。

當(dāng)R1=30.25 mm，R2=41.1 mm，R3=41.275 mm，膠筒剪應(yīng)力T=5.8 mm，Δp=21 MPa，pz=21 MPa時，計(jì)算得出膠膠筒長度為28.7 mm。進(jìn)而確定坐封壓差為8 MPa，壓縮距為6 mm。同理，可以得到其他規(guī)格插入密封的尺寸數(shù)據(jù)，滿足不同尺寸密封筒的需要，具體數(shù)據(jù)見表1，坐封壓力均為8 MPa 。

表1 尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表Table 1 Summarу of size design parameters

膠筒在3個方向應(yīng)力作用下工作，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。膠筒的合成應(yīng)力σr為

經(jīng)校核，膠筒強(qiáng)度滿足要求。

1.3 壓力膨脹式插入密封工作原理

壓力膨脹式插入密封工作原理如圖3所示，表明了插入密封工作時活塞在坐封前后移動的狀態(tài)。

圖3 坐封時活塞移動狀態(tài)Fig. 3 Schematic moving state of piston in the process of setting

1.3.1 密封原理 向中心管施加壓力，液體從中心管內(nèi)壁小孔進(jìn)入中心管與移動活塞之間的環(huán)形空間，液壓逐漸增大達(dá)到坐封壓力，移動活塞切斷坐封剪釘、向下移動壓縮膠筒，壓縮膠筒受壓擴(kuò)張，密封中心管與工作筒的環(huán)形空間；壓縮橡膠下壓支撐卡瓦，支撐卡瓦本體的6個卡爪內(nèi)壁有棘齒，與移動環(huán)外壁的棘齒配合，在棘齒的作用下，卡爪向外移動，直到卡爪貼近工作筒內(nèi)壁為止；同時由于受到工作筒內(nèi)壁和棘齒的尺寸限制，支撐卡瓦不會向下移動；由于限位釘?shù)淖饔?，移動活塞移動至最大壓縮距時，不再移動；移動活塞本體的6個卡爪內(nèi)壁有棘齒，與中心管上的棘齒配合，確保移動活塞單向滑動（只允許向下移動）。

1.3.2 解封原理 上提中心管，如果管柱遇卡阻，拉力逐漸增大達(dá)到解封壓力，壓縮橡膠推動支撐卡瓦與移動環(huán)，切斷解封剪釘，支撐卡瓦與移動環(huán)同時向下移動一個壓縮距，壓縮膠筒徑向收縮、恢復(fù)原狀；如果管柱不遇卡阻，拉力小于解封壓力，解封剪釘不會被剪斷，當(dāng)膨脹式隔離密封被拔出工作筒后，支撐卡瓦的卡爪失去工作筒內(nèi)壁的約束，向下移動一個壓縮距，壓縮膠筒徑向收縮、恢復(fù)原狀，同樣起到解封效果。

2 性能實(shí)驗(yàn)評價

為了模擬壓力膨脹式插入密封在井下的密封性能，設(shè)計(jì)了專用驗(yàn)封實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4所示。將壓力膨脹式插入密封按照現(xiàn)場安裝方式置入，然后環(huán)空打壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證工具與損壞密封筒之間的密封性能。

圖4 工具驗(yàn)封實(shí)驗(yàn)Fig. 4 Seal testing experiment

試驗(yàn)程序：將短節(jié)與模擬密封筒連接上，裝入上支撐桿，最后把坐封接頭與短節(jié)連接上；將液壓管線與一端坐封接頭連接好，開泵，打壓至21 MPa，穩(wěn)壓5 min；將液壓管線與另一端坐封接頭連接好，開泵，打壓至21 MPa，穩(wěn)壓5 min。穩(wěn)壓期間，各密封處無泄漏，壓力下降在1 MPa以內(nèi)合格。

通過系列實(shí)驗(yàn)，直徑分別為82.55 mm、98.55 mm、101.60 mm、120.65 mm 的 152.4 mm 壓 力 膨脹式隔離密封樣機(jī)坐封后，環(huán)空上下分別試壓21 MPa，穩(wěn)壓5 min，不滲不漏，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為準(zhǔn)確模擬井下實(shí)際工況，進(jìn)行壓縮距測定實(shí)驗(yàn)、整體壓力實(shí)驗(yàn)、坐封實(shí)驗(yàn)、解封實(shí)驗(yàn)，完成了工具膠筒的常溫疲勞實(shí)驗(yàn)、90 ℃水浸實(shí)驗(yàn)、90 ℃油浸實(shí)驗(yàn)、120 ℃油浸實(shí)驗(yàn)，來模擬井下實(shí)際工況環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：?82.55 mm插入密封工具坐封壓力8 MPa，環(huán)空耐壓21 MPa，解封力16.2 kN，疲勞試驗(yàn)后膠筒變形率2.15%～2.5%；?98.55 mm插入密封工具坐封壓力8 MPa，環(huán)空耐壓21 MPa，解封力19.5 kN，疲勞試驗(yàn)后膠筒變形率1.5%～2.3%；?101.60 mm插入密封工具坐封壓力8 MPa，環(huán)空耐壓21 MPa，解封力19.5 kN，疲勞試驗(yàn)后膠筒變形率1.95%～2.45%；?120.65 mm插入密封工具坐封壓力8 MPa，環(huán)空耐壓21 MPa，解封力27.1 kN，疲勞試驗(yàn)后膠筒變形率1.85%～2.45%；?152.4 mm插入密封工具的坐封壓力為8 MPa，環(huán)空耐壓21 MPa，解封力27.1 kN，疲勞試驗(yàn)后膠筒變形率1.8%～2.6%

3 現(xiàn)場應(yīng)用

SZ36-1-FX井2002年6月轉(zhuǎn)注，防砂段分3層礫石充填防砂，隔離密封筒最小內(nèi)直徑120.65 mm。由于注水時間較長，注水管柱及防砂管柱均有腐蝕，?120.65 mm密封筒因腐蝕影響不能與常規(guī)插入密封配合實(shí)現(xiàn)分層。2012年測試結(jié)果表明井下3層互竄，無法達(dá)到分層注水目的。如果要更換密封筒需要打撈原井防砂管柱，進(jìn)行2次防砂完井，需要花費(fèi)大量工期和費(fèi)用。

2016年5月該井下入?120.65 mm壓力膨脹式插入密封于防砂段隔離密封筒位置。

作業(yè)步驟：按照設(shè)計(jì)管柱圖（如圖5所示）連接下入空心集成注水管柱；鋼絲作業(yè)關(guān)閉所有配水器芯子；以水為坐封介質(zhì)，油管內(nèi)分別正打壓5、10、15 MPa，坐封壓力膨脹插入密封；鋼絲作業(yè)撈出配水器芯子，進(jìn)行鋼絲壓力計(jì)分層驗(yàn)封；分層驗(yàn)封合格，恢復(fù)分層注水。

圖5 空心集成分層注水管柱Fig. 5 Hollow integrated string for separate zone water injection

作業(yè)效果：作業(yè)前，因無法分層配注，該井籠統(tǒng)注水量290 m3/d；作業(yè)后恢復(fù)分層注水，鋼絲測試各層間無互竄現(xiàn)象，膨脹密封效果良好，各層均達(dá)到油藏要求的配注量，實(shí)現(xiàn)了分層注水的目的，工藝成功率100%。

后續(xù)又有BZ29-4C-14W、QK17-2 P18等井下入?152.4 mm或?82.55 mm等不同尺寸等級的壓力膨脹式插入密封結(jié)構(gòu)，作業(yè)時間、下入尺寸、作業(yè)后根據(jù)鋼絲壓力計(jì)驗(yàn)封觀察的效果見表2。

表2 壓力膨脹式插入密封使用的井次及效果Table 2 Following-up list of application times and effects of pressure expanding insert seal

4 結(jié)論

（1）研發(fā)壓力膨脹式插入密封并進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場推廣。結(jié)果表明，該壓力膨脹式插入密封具有極高的安全可靠性，與封隔器上受損密封筒配合密封效果極佳，完全滿足分層工藝實(shí)施要求。

（2）該壓力膨脹插入密封適用于采用常規(guī)插入密封因隔離密封筒密封不嚴(yán)導(dǎo)致竄層的生產(chǎn)井，或者頂部封隔器密封筒密封不嚴(yán)導(dǎo)致有套壓的注水井。

（3）該壓力膨脹式插入密封的使用，解決了密封筒因腐蝕等原因不密封的問題，避免了打撈防砂管柱重新完井的大修井作業(yè)，節(jié)約了大修井作業(yè)所產(chǎn)生的人力和物力損耗，具有廣泛的推廣價值。

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