李 輝，沈 威，陳 平，杜亞軍，張衛(wèi)東，毛慶汝

（1. 中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽 473132；

（2. 中國石化河南油田分公司采油二廠；3.中國石化河南油田基地管理中心應(yīng)用化工廠）

近年來，熱采井氮?dú)飧魺嶂殴に嚦蔀橐豁?xiàng)新的稠油熱采技術(shù)，將油套環(huán)空注入的氮?dú)馀c油管環(huán)空注入蒸汽混合注入地層，既能較好地起到隔熱保護(hù)套管的作用，又能提高地層壓力、增強(qiáng)油水返排率、提高油井產(chǎn)量、提高開采效率[1–4]。出于油田開采的安全性和環(huán)保的需要，常采井均安裝有單流裝置以防止出現(xiàn)事故或者套管破損時(shí)污染環(huán)境，然而熱采井單流裝置無法耐高溫高壓。為防止出現(xiàn)此類異常情況，需要下入熱采保護(hù)封隔器，通過封隔器密封油套環(huán)空，防止井底壓力上涌[5–6]。目前國內(nèi)缺乏適應(yīng)注汽過程中間斷或連續(xù)氮?dú)庾⑷敕飧羝?，因此河南油田研制了一種耐高溫雙通道熱采封隔器。該封隔器既能耐高溫高壓，又能通過油套環(huán)空將氮?dú)鈴奶坠茏⑷敕飧羝饕韵?，并與油管內(nèi)注入的蒸汽在地層附近接觸注入。當(dāng)井下出現(xiàn)異常停注時(shí)，封隔器的注氮?dú)馔ǖ缹㈥P(guān)閉，防止井底壓力從油套環(huán)空傳至井口[7–8]。

1 耐高溫雙通道熱采封隔器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該封隔器主要由解封機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、坐封鎖緊機(jī)構(gòu)、環(huán)空注氮單流機(jī)構(gòu)等組成（圖1）。

圖1 雙通道熱采封隔器結(jié)構(gòu)示意

（1）解封機(jī)構(gòu)。解封機(jī)構(gòu)由上接頭、解封銷釘、卡瓦座、中心管、內(nèi)密封管組成。上接頭與中心管通過絲扣連接；卡瓦座與上接頭頂緊后，通過提解封銷釘限位連接?？ㄍ咦鶅?nèi)部加工有凹槽，與內(nèi)密封管上端分瓣鎖爪的凸臺(tái)配合；內(nèi)密封管上端分瓣鎖

爪嵌入卡瓦座內(nèi)部的凹槽內(nèi)，并通過中心管外側(cè)的中心管凸臺(tái)貼緊固定內(nèi)密封管。

（2）錨定機(jī)構(gòu)。錨定機(jī)構(gòu)由卡瓦座、卡瓦、箍簧、錐體組成。卡瓦座下端開有均布的斜向凹槽，卡瓦從內(nèi)部插入卡瓦座下端的斜向凹槽內(nèi)，并與卡瓦座的斜向凹槽貼合，一并套裝在內(nèi)密封管上；箍簧卡在卡瓦上的凹槽內(nèi)，箍緊卡瓦、椎體套裝在內(nèi)密封管上，從下部貼緊錐體。

（3）密封機(jī)構(gòu)。密封機(jī)構(gòu)由密封件、外密封管、壓縮環(huán)組成。外密封管套裝在內(nèi)密封管上，貼緊錐體；外密封管內(nèi)部填充有耐高溫高壓密封材料。密封件套裝在外密封管外部；密封件為耐溫350℃、耐壓20 MPa的密封材料。壓縮環(huán)套裝在外密封外部，并頂緊密封件；壓縮環(huán)內(nèi)部充填有耐高溫高壓密封材料。

（4）坐封鎖緊機(jī)構(gòu)。坐封鎖緊機(jī)構(gòu)由鎖環(huán)座、鎖環(huán)、鎖環(huán)壓帽、活塞鎖套、下接頭組成。鎖環(huán)座通過絲扣與內(nèi)密封管連接；鎖環(huán)套裝在鎖環(huán)座上；鎖環(huán)壓帽通過絲扣與鎖環(huán)座連接，將鎖環(huán)限位在鎖環(huán)座上。下接頭通過絲扣與中心管連接；下接頭徑向上開有傳壓孔，軸向上開有單流孔；下接頭的加工有與傳壓通道連通的活塞缸?；钊i套套裝在下接頭的活塞缸內(nèi)部，上端通過鎖環(huán)座與壓縮環(huán)之間；活塞鎖套內(nèi)部充填有耐高溫高壓密封材料；活塞鎖套內(nèi)部加工有齒狀鎖套扣。

（5）環(huán)空注氮單流機(jī)構(gòu)。環(huán)空注氮單流機(jī)構(gòu)由單流閥座、單流閥球、彈簧、彈簧罩組成。單流閥座與下接頭軸向上的單流孔通過絲扣連接；單流閥球、彈簧先后裝入單流閥座內(nèi)部；彈簧罩通過絲扣與單流閥座連接；彈簧罩頂緊彈簧，彈簧壓縮頂緊單流閥球，單流閥球與單流閥座的球座形成線密封。

1.2 工藝原理

（1）座封錨定。管柱下到設(shè)計(jì)位置后，再通過油管打液壓，液壓通過下接頭徑向上的傳壓孔傳遞至活塞缸，推動(dòng)活塞鎖套向上移動(dòng)，活塞鎖套推動(dòng)壓縮環(huán)、密封件、外密封管上行，并推動(dòng)錐體楔入卡瓦，使卡瓦沿徑向向外撐開箍簧，并支撐套管。當(dāng)卡瓦支撐套管后，密封件在活塞鎖套的推動(dòng)下壓縮密封件，使密封件膨脹密封油套環(huán)空。在活塞鎖套上行的過程中鎖套扣與鎖環(huán)的螺紋齒逐步嚙合，鎖緊坐封機(jī)構(gòu)。

（2）注熱流體和氮?dú)?。?dāng)需要注汽時(shí)，蒸汽通過中心注汽通道直接注入。氮?dú)馔ㄟ^卡瓦套上部的過流進(jìn)口進(jìn)入，再通過內(nèi)密封管的過流孔，進(jìn)入內(nèi)密封管和中心管形成的上過流環(huán)空。最后通過下接頭的單流孔進(jìn)入推開單流閥球，從彈簧罩的過流出口再次進(jìn)入油套環(huán)空，注入地層。

（3）承壓。當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)異常情況，井口閘門失效，油套環(huán)空壓力下降，雙通道封隔器密封，推動(dòng)卡瓦錨定套管，封隔器密封套管，單流閥球在彈簧及地層壓力的作用下向上行，與單流閥座形成密封，關(guān)閉油套環(huán)空注氮?dú)馔ǖ?，防止地層原油和污水上返至井口?/p>

（4）解封。需要解封時(shí)，上提雙通道熱采封隔器，卡瓦座在卡瓦與套管的支撐力作用下，使解封銷釘受力剪斷，上接頭、中心管、下接頭整體上行，釋放內(nèi)密封管前端的分瓣鎖爪，使其可以內(nèi)收。在膠筒的回彈力和套管摩擦力作用下，推動(dòng)壓縮環(huán)下行，壓縮環(huán)推動(dòng)活塞鎖套下行?；钊i套與鎖環(huán)通過螺紋齒嚙合鎖緊，活塞鎖套帶動(dòng)鎖環(huán)座、鎖環(huán)、鎖環(huán)壓帽、內(nèi)密封管一同下行，釋放錐體下行，卡瓦內(nèi)收。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

耐溫：330℃；耐壓差：21 MPa（承下壓）；注氮?dú)膺^流孔：2-φ15 mm；最大外徑：φ210 mm；最小內(nèi)徑：φ76 mm；座封壓力：24～25 MPa；解封負(fù)荷：78～98 kN；連接扣型：31/2 EUTBG；適用套管內(nèi)徑：φ216.8～224.4 mm。

1.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）座封機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)了液壓活塞座封機(jī)構(gòu)和防遇阻銷釘、座封銷釘?shù)?，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，有效保證了密封器正常座封。

（2）鎖緊機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)為螺紋單向鎖緊機(jī)構(gòu)，單方向移動(dòng)，反方向鎖緊，結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，制造容易。

（3）防回彈機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)高彈性碟簧防回彈機(jī)構(gòu)，降低封隔器座封泄壓后膠筒的回彈距離，提高密封效果。

（4）錨定機(jī)構(gòu)。封隔器單向受力，因此采用單向卡瓦錐體錨定結(jié)構(gòu)方式，共六片，成60°均勻分布，承壓時(shí)，下錐體上推卡瓦，將力轉(zhuǎn)移到套管上，實(shí)現(xiàn)單向錨定。

（5）主密封機(jī)構(gòu)。以分散柔性石墨為主體、改性聚四氟乙烯膠套為保護(hù)套的組合密封件。充分利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

（6）氮?dú)馔ǖ烂芊?。停注過程中，注氮?dú)馔ǖ佬枰鉀Q單流密封和沿程密封問題，采用球形單流閥剛性密封方式，耐高溫、密封可靠；沿程密封采取填料石墨密封，能夠在高、低溫下密封。

（7）解封機(jī)構(gòu)。內(nèi)密封管通過指型爪凸臺(tái)嵌在卡瓦座內(nèi)，指型爪凸臺(tái)通過中心管凸臺(tái)支撐，中心管和上接頭不動(dòng)，膠筒、卡瓦無法釋放。上接頭和卡瓦座通過銷釘固定，解封銷釘限定解封力大小，解封銷釘在座封過程不受力。

（8）防腐。整套裝置選用防腐效果較好、耐350℃高溫的鎳磷鍍方法，防腐效果好。

2 試驗(yàn)情況

2.1 室內(nèi)常溫試驗(yàn)

依據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6304–1997 《注蒸汽封隔器及井下補(bǔ)償器技術(shù)條件》及 SY/T 5106–1998 油氣田用封隔器通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了地面性能試驗(yàn)，并下入試驗(yàn)井進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)測試[9–10]，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

（1）封隔器座封座卡動(dòng)作靈活無卡阻，整體耐壓35 MPa，不滲不漏，鋼件不變形。

（2）座封力23～25 MPa，座封距94～97 mm；座卡銷釘剪斷力量3～4 MPa；

（3）封隔器錨定力超過1 050 kN，錨定可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

（4）封隔器承受單向工作壓差達(dá)到32 MPa，密封性能可靠。

（5）解封性能可靠，解封力80–120 kN，可根據(jù)需要調(diào)整，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 高溫高壓試驗(yàn)

（1）高溫試驗(yàn)。對于雙通道熱采封隔器主要進(jìn)行耐高溫性能及在高溫下的密封性能（密封膠筒承下壓差性能）試驗(yàn)，檢驗(yàn)經(jīng)過高溫后降到室內(nèi)溫度下密封是否仍然有效。通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：①耐高溫332℃，耐壓21 MPa；② 經(jīng)過高溫332℃后，回到室內(nèi)溫度下，密封壓差達(dá)到21 MPa；③ 通過3次“高溫332℃–室內(nèi)”，密封壓差達(dá)到21 MPa。

（2）單流閥的開啟力試驗(yàn)和低溫下的密封試驗(yàn)。對于耐高溫雙通道側(cè)孔單流閥，主要進(jìn)行了地面單向承壓能力、開啟關(guān)閉靈活性、高低溫下密封性能試驗(yàn)。通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：① 開啟壓力小于0.1 MPa，鋼體及絲扣無損壞和變形，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；② 單流閥開啟關(guān)閉靈活可靠，多次開啟關(guān)閉后密封耐壓35 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.3 打壓球座的開啟力試驗(yàn)

對于打壓球座，主要進(jìn)行了地面單向開啟壓力穩(wěn)定性、開啟關(guān)閉靈活性試驗(yàn)。通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）開啟壓差24～26 MPa，鋼體及絲扣無損壞和變形，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

（2）打壓球座單流閥反向開啟壓力0.1 MPa，開啟關(guān)閉靈活可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

該封隔器在渤海一口9–5/8 in 熱采井應(yīng)用，目前已經(jīng)過了10輪次的蒸汽吞吐。2014年7月8日至 16日，注汽 3 626 t，注汽壓力 16.2～19 MPa。2015年8月11日至19日，注汽3 704 t，注汽壓力18.6～19 MPa。注汽后放套壓至5 MPa，驗(yàn)證封隔器無漏失，達(dá)到了耐高溫高壓的性能要求。

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