劉華偉

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

關(guān)鍵字：膠筒； 標(biāo)準(zhǔn)； 密封檢測(cè)； 密封筒； 分層開采

由于油層的非均質(zhì)性，各層地層壓力不同，根據(jù)具體地層油藏參數(shù)，采取不同開采方式，才能提高開采效率。據(jù)目前工藝設(shè)計(jì)要求，井下實(shí)施分層注水工藝井，要對(duì)隔離密封總成中封隔器的密封筒進(jìn)行驗(yàn)封作業(yè)。目前海上油田是利用帶孔插入密封的管柱對(duì)隔離密封進(jìn)行驗(yàn)封，下入對(duì)應(yīng)隔離密封段[1-6]，管內(nèi)打壓，通過井口壓力變化定性判斷隔離密封是否存在破損。該方法不能定量地判斷漏失，也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)管柱密封段與井下密封筒構(gòu)成的隔離密封總成是否有密封缺陷進(jìn)行判斷[7]。張磊等人[8]利用氧活化測(cè)試技術(shù)在中原油田進(jìn)行測(cè)量油套環(huán)形空間內(nèi)水流的縱向流動(dòng)，檢測(cè)封隔器密封，但氧活化測(cè)試作業(yè)成本高，不利于推廣應(yīng)用，并且只能檢測(cè)密封不嚴(yán)，不能解決隔離密封失效問題。黎明志等人[9]研制出堵水管柱封隔器逐級(jí)驗(yàn)封技術(shù)，利用把驗(yàn)封器連接在待驗(yàn)封封隔器下邊，驗(yàn)封時(shí)先坐封封隔器后，增壓打開驗(yàn)封器驗(yàn)封通道并坐封驗(yàn)封器，停泵穩(wěn)壓驗(yàn)證封隔器是否密封。 該技術(shù)已在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 5 口井，工藝成功率和措施有效率很高。但井下工況復(fù)雜，只靠穩(wěn)壓來判斷密封。若油管密封失效，會(huì)導(dǎo)致驗(yàn)封不準(zhǔn)確，并且油田泵壓不穩(wěn)定，壓力波動(dòng)較大，有引發(fā)提前坐封的可能，導(dǎo)致無法驗(yàn)封。方志剛等人[10]研發(fā)出分層注水井封隔器驗(yàn)封技術(shù)，針對(duì)吐哈油田分層注水井采用堵塞器壓力計(jì)驗(yàn)封封隔器技術(shù)存在效率低的問題，利用油田成熟的高效測(cè)調(diào)工藝，研制開發(fā)了電動(dòng)驗(yàn)封儀。經(jīng)吐哈油田現(xiàn)場(chǎng) 100 多口井的成功應(yīng)用，表明其驗(yàn)封結(jié)果準(zhǔn)確快捷，在降低工作量的同時(shí)，提高了驗(yàn)封成功率。電動(dòng)驗(yàn)封作業(yè)成本高，并且電纜在下井過程中容易受損，特別是防砂段的管柱，內(nèi)徑較小，更易損壞電纜。這里通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，開展了壓縮式封隔器膠筒密封、承壓能力測(cè)試，并在海上油田成功應(yīng)用密封檢測(cè)及密封工具優(yōu)化技術(shù)，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了分層開采效率。

海上油田油井進(jìn)行分層開采，主要通過隔離密封總成實(shí)現(xiàn)。隔離密封總成由隔離封隔器與井下密封筒及其配套密封工具組成。目前，海上油田常用的封隔器分為三類：擴(kuò)張式封隔器、壓縮式封隔器和自封式封隔器。擴(kuò)張式封隔器、自封式封隔器密封效果一般，主要針對(duì)井下密封筒完好的油井。壓縮式封隔器主要適用生產(chǎn)條件復(fù)雜，座封位置比較惡劣的油井。井下密封筒配套密封工具主要為依靠膠筒與密封筒的過盈配合來實(shí)現(xiàn)密封的密封工具，隨著油田生產(chǎn)過程中，井下密封筒會(huì)受到磨損、劃傷及腐蝕，導(dǎo)致自密封封隔器密封失效，無法保證分層注水或開采[1]，所以，需要使用新型密封工具來實(shí)現(xiàn)密封。膠筒是密封工具最重要的構(gòu)件，膠筒的優(yōu)劣直接決定著新型密封工具性能的優(yōu)劣。

對(duì)井下密封筒密封性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，關(guān)鍵在于優(yōu)選出最合適的膠筒才能有效檢測(cè)并解決密封失效的問題。海上油田井下密封筒內(nèi)徑分別為82.55 mm（3.25"）、98.55 mm（3.88"）、101.60 mm（4.00"）、120.65 mm（4.75"）和 152.4 mm（6.00"），現(xiàn)有的膠筒標(biāo)準(zhǔn)HG/T 2701—2016《油氣田壓縮式封隔器膠筒》[11]是針對(duì)4.5"以上套管的，所以，有必要對(duì)密封膠筒的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討，來進(jìn)一步完善和規(guī)范油氣田壓縮式封隔器膠筒的標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)化應(yīng)用。

1 隔離密封檢測(cè)工藝技術(shù)配套密封膠筒研制

1.1 檢測(cè)工具的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

檢測(cè)工具主要由壓力短節(jié)、流量短節(jié)、活塞、膠筒、彈簧等組成（圖1）。

圖1 檢測(cè)工具工程圖

檢測(cè)工具的工作原理：從中心管內(nèi)打壓至膠筒的坐封壓力，由壓力通道進(jìn)入的流體推動(dòng)活塞，壓縮膠筒，使膠筒膨脹對(duì)密封筒坐封，此時(shí)，測(cè)試活塞受到彈簧的約束不運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)施加壓力至測(cè)試活塞的開啟壓力值，測(cè)試通道打開，流體通過流量計(jì)，進(jìn)入由上模塊、下模塊、密封筒及中心管組成的環(huán)形腔內(nèi)，流量計(jì)計(jì)量注入腔內(nèi)的流量；若膠筒失效，環(huán)形腔內(nèi)液體經(jīng)過膠筒流入檢測(cè)工具的上接頭與密封筒組成的環(huán)空，流量計(jì)計(jì)量密封模塊失效導(dǎo)致的漏失量。壓力計(jì)測(cè)試上下膠筒失效后膠筒兩側(cè)環(huán)空中的壓力值。

1.2 膠筒標(biāo)準(zhǔn)化的研究

海上油田常用的膠筒基本由Halliburton、Baker Hughes公司以及國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)。針對(duì)不同規(guī)格的密封筒尺寸，常用膠筒尺寸如表1。

表1 常規(guī)膠筒尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表

從表1 可以看出，膠筒外徑比密封筒內(nèi)徑略大，最大過盈量不超過1.5 mm，屬于被動(dòng)密封[2]。當(dāng)密封筒受到磨損時(shí)，膠筒不能有效補(bǔ)償，導(dǎo)致分層開采失效，所以需使用主動(dòng)密封的壓縮式封隔器膠筒來補(bǔ)償密封的受損，從而保證有效分層開 采。

2 地面試驗(yàn)

2.1 膠筒的優(yōu)選

膠筒材料具有一定的“蠕變效應(yīng)”和“松馳效應(yīng)”，導(dǎo)致膠筒長(zhǎng)時(shí)間在井下作業(yè)時(shí)出現(xiàn)變形而磨損、脫落，而使密封失效。并且，井下溫度也會(huì)對(duì)膠筒性能產(chǎn)生影響[11-14]。當(dāng)溫度高時(shí)，膠筒硬度越高，膠筒的有效載荷越強(qiáng)，密封效果才越好。而當(dāng)溫度低時(shí)，膠筒硬度高，不能被完全充分壓縮，也不能保證有足夠的彈性形變，進(jìn)而無法對(duì)受損的密封筒進(jìn)行有效補(bǔ)償。海上油田井下溫度一般為80 ～ 120 ℃，依據(jù)《油氣田壓縮式封隔器膠筒》，優(yōu)選出的膠筒的邵氏硬變?yōu)?5 ～ 85，材質(zhì)為丁腈橡膠。

2.2 功能試驗(yàn)

坐封試驗(yàn)。將不同規(guī)格的封隔器裝入試驗(yàn)密封筒（密封筒內(nèi)徑=膠筒外徑+10 mm）中，介質(zhì)為清水，向中心管內(nèi)打壓到表2中對(duì)應(yīng)的坐封力來壓縮膠筒，記錄坐封力和壓縮距。

表2 不同規(guī)格膠筒的試驗(yàn)性能參數(shù)

耐壓試驗(yàn)。將經(jīng)過密封功能試驗(yàn)合格的封隔器裝入對(duì)應(yīng)密封筒中，以清水為介質(zhì)，向中心管內(nèi)加壓至規(guī)定的坐封力，使膠筒坐封。然后，對(duì)封隔器一端施加壓力21 MPa，保持10 min，觀察封隔器有無泄漏。

2.3 密封性能試驗(yàn)

膠筒坐封后，以清水為介質(zhì)，在膠筒的上、下兩端依次從零打壓至21 MPa，室溫下保持10 min，查看封隔器是否有泄漏。然后解封并更換介質(zhì)為變壓器油，放入到90 ℃的恒溫箱中，保持30 min，再打壓對(duì)應(yīng)的坐封力使膠筒再次坐封，并觀察封隔器有無泄漏。

2.4 疲勞性能試驗(yàn)

膠筒經(jīng)過坐封試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)及密封性能試驗(yàn)后，向密封筒中心管施加壓力21 MPa，穩(wěn)壓4 h后，放掉密封筒壓力至零。由密封筒一端施加壓力21 MPa，穩(wěn)壓4 h后，放掉壓力至零，再?gòu)拿芊馔擦硪欢耸┘?1 MPa，仍穩(wěn)壓4 h后，放掉壓力。最后放掉中心管壓力。上述過程為一次疲勞試驗(yàn)。反復(fù)疲勞試驗(yàn)5次，觀察封隔器有無泄漏。

對(duì)不同規(guī)格的封隔器進(jìn)行上述試驗(yàn)，表2是試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)匯總。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

以海上油田某平臺(tái)一口密封失效井為研究對(duì)象，進(jìn)行密封檢測(cè)，其正常注水管柱見圖2。此井為分層注水井，使用的密封筒規(guī)格為4.75"。通過鋼絲作業(yè)驗(yàn)封時(shí)，發(fā)現(xiàn)上、下層隔離密封總成無法穩(wěn)壓，密封失效，無法實(shí)現(xiàn)分層注水。

圖2 海上油田分層注水管柱圖

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

設(shè)計(jì)的檢測(cè)工藝管柱見圖3。其工藝原理：將流量計(jì)、壓力計(jì)內(nèi)置于隔離密封性能檢測(cè)工具內(nèi)，下入檢測(cè)管柱。通過配管，確保隔離密封性能檢測(cè)工具密封段與井下隔離密封筒配合完好。檢測(cè)管柱下放到位后，油管打壓3 MPa×30 min、6 MPa×30 min，測(cè)試活塞壓縮彈簧，使膠筒坐封，查看管內(nèi)穩(wěn)壓情況。繼續(xù)打壓至12 MPa，保持30 min。上提管柱，通過壓力計(jì)與流量計(jì)的數(shù)據(jù)回放，測(cè)試壓力及漏失流量，查看密封性能。

圖3 隔離密封性能檢測(cè)工藝管柱圖

根據(jù)檢測(cè)管柱得到的數(shù)據(jù)判斷井下密封筒的受損情況，然后選優(yōu)出對(duì)應(yīng)的密封膠筒，把其內(nèi)置在新設(shè)計(jì)的密封工具中（圖4）。此密封工具能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)密封，并且起管柱時(shí)能使膠筒自動(dòng)復(fù)原，不會(huì)使膠筒受損，可以重復(fù)利用。當(dāng)帶有新型密封工具的注水管柱下放到位后，打壓到一定坐封壓力值，使移動(dòng)活塞壓縮密封膠筒，移動(dòng)活塞具有單向棘齒結(jié)構(gòu)，使移動(dòng)活塞不能后退，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效分層注水。起出管柱時(shí)，上提管柱，使新型密封工具脫離密封筒，支撐卡瓦失去密封筒的約束，壓縮膠筒徑向收縮、恢復(fù)原狀。當(dāng)管柱遇阻時(shí)，切斷解封剪釘，膠筒徑向收縮、恢復(fù)原狀，同樣起到解封效果。

圖4 新型密封工具示意圖

3.2 數(shù)據(jù)比對(duì)與分析

利用檢測(cè)工藝技術(shù)對(duì)此井的兩層密封筒進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得壓力、流量等數(shù)據(jù)（表3）。

表3 不同規(guī)格膠筒的試驗(yàn)性能參數(shù)

從表3中可以看出，當(dāng)油管內(nèi)施加不同的壓力時(shí)，密封筒上下端環(huán)空壓力值不同，測(cè)試的流量也不同。在地面，上、下層管內(nèi)壓力值為3 MPa時(shí)，檢測(cè)下層隔離密封時(shí)的漏失流量為30.75 m3/ d、49.71 m3/d；而上、下層管內(nèi)壓力值為5.25 MPa、8.34 MPa時(shí)，檢測(cè)下層隔離密封時(shí)的漏失流量為0.03 m3/d、0.02 m3/d，當(dāng)繼續(xù)施加壓力時(shí)，流量幾乎為零，說明此時(shí)密封膠筒被壓縮后能起到很好的密封作用，進(jìn)一步說明新型密封工具中的密封膠筒的合適坐封力為6 MPa、8 MPa。下入膠筒膨脹量適當(dāng)?shù)男滦兔芊夤ぞ?，坐封后，利用鋼絲作業(yè)進(jìn)行驗(yàn)封，施加12 MPa×30 min，結(jié)果壓力穩(wěn)定，驗(yàn)封合格，說明設(shè)計(jì)的新型密封工具能實(shí)現(xiàn)有效分層注水。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)密封筒受到磨損、腐蝕導(dǎo)致自密封封隔器的膠筒密封失效而無法分層開采的問題，依據(jù)現(xiàn)有膠筒標(biāo)準(zhǔn)HG/T 2701—2016《油氣田壓縮式封隔器膠筒》，設(shè)計(jì)不同規(guī)格微形壓縮式封隔器膠筒，進(jìn)行坐封試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)及密封性能試驗(yàn)，封隔器無泄漏，說明設(shè)計(jì)的膠筒能夠滿足分層開采所需技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）利用檢測(cè)工藝對(duì)分層失效的井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)作業(yè)，管內(nèi)打壓，通過井口壓力變化定性判斷隔離密封是否存在破損，定量地判斷漏失；利用壓縮膠筒進(jìn)行有效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管柱密封段與井下密封筒構(gòu)成的隔離密封總成是否有密封缺陷的判斷。結(jié)果表明此檢測(cè)工藝技術(shù)能夠在有缺陷密封筒的油水井中對(duì)井下密封筒進(jìn)行定量化檢測(cè)，保證有效分層開采，利于油井的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。