杜福云， 劉國振， 郭雯霖， 張立波， 鄭金中， 陳磊， 李英松

（1.中海油田服務股份有限公司，天津300459；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 工程技術作業(yè)中心，天津300459）

0 引言

分層注水作為一種補充地層能量、提高原油采收率的重要手段[1]，近年來面臨著油層含水率高，層間矛盾突出等問題，發(fā)展智能化的精細化注水管柱是必然趨勢[2-3]。當前諸多機構對注水管柱封隔器展開了研究[4-6]。李春梅[7]在常規(guī)封隔器基礎上設計了一款帶有電纜通道的封隔器，使用電纜固定組件由中心管外部穿過，實現(xiàn)了電纜密封。李小猛等[8]研制了一款適用于9-5/8 in套管的過電纜封隔器，中心管采用了偏心設計，為電纜穿越孔提供了充足空間，可承壓3600 psi（24.83 MPa）。劉鵬等[9]設計了一款大通徑的注采用封隔器，具有內(nèi)通徑90.1 mm, 承壓3600 psi（24.83 MPa）。

在一些吸水率較低的區(qū)塊井下壓力較高，同時測調(diào)一體工藝需要較多線纜下入?？偨Y(jié)分析同類產(chǎn)品的優(yōu)缺點后研制了一款適用于9-5/8 in套管的生產(chǎn)封隔器，該封隔器可雙向承壓，壓力等級7500 psi（51.72 MPa）。具有鎖塊限位的防提前坐封機構，避免下入過程中遇卡后坐封銷釘剪斷導致的提前坐封。中心管設置了6條線纜穿越孔，同時保證了直徑為3.89 in（98.91 mm）的過流面積。

1 整體設計

如圖1所示，注水井生產(chǎn)封隔器由帶有線纜穿越孔的中心軸、膠筒組件、啟動活塞、坐封活塞、雙向卡瓦、膠筒襯管、坐封彈爪、防提前坐封機構等部分組成。

圖1 封隔器結(jié)構圖

本款封隔器用于注水井9-5/8 in套管，由單管液壓坐封，上提解封。雙向卡瓦設計可使封隔器雙向承壓，可配合液控洗井閥實現(xiàn)洗井功能。

1.1 工作原理

1）坐封時中心管壓力推動啟動活塞釋放鎖塊，坐封活塞拉動膠筒襯管及滑動套使卡瓦張開并擠壓膠筒膨脹，同時鎖環(huán)跳齒完成坐封。

2）解封時上提管柱，解封銷釘剪短后釋放解封限位環(huán)后坐封彈爪與坐封活塞脫開，釋放坐封載荷完成解封。

1.2 封隔器主要參數(shù)

表1 生產(chǎn)封隔器技術參數(shù)

表1展示了本封隔器主要技術參數(shù)，其上提解封拉力可根據(jù)具體工藝進行調(diào)節(jié)。

2 關鍵技術

1） 密 封 應 力 計算。根據(jù)封隔器設計理論[10]，接觸壓力是決定膠筒密封性能的主要參數(shù)。接觸壓力表達式如下：

式中：F為坐封力；S為膠筒變形后截面積，S=165.36；G為剪切彈性模量，G=1.27；Rp為套管內(nèi)徑，Rp=111.19；Ri為膠筒內(nèi)徑，Ri=53.11；Ro為膠筒外徑，Ro=103.94；Δp為密封壓差。

根據(jù)膠封隔器膠筒密封理論可將式（1）變形為

當環(huán)空密封壓力達到3000 psi（20.69 MPa）時，所需坐封載荷為94.59 kN；當環(huán)空密封壓力達到5000 psi（34.48 MPa） 時所需坐封載荷為140.48 kN；7500 psi（51.72 MPa）時所需坐封載荷為197.85 kN。

當坐封壓力達到3000 psi（20.69 MPa）時可以提供204.66 kN 坐封載荷?？蓾M足密封壓力達到7500 psi（51.72 MPa）時坐封載荷要求。

2）防提前坐封機構。常規(guī)結(jié)構通常由坐封剪釘限制滑動套相對中心管的移動，由于剪釘?shù)某休d力有限，管柱下入時遇卡容易使坐封剪釘斷裂而提前坐封。為避免封隔器外側(cè)受力導致坐封的問題，設計了圖2所示的防提前坐封機構。其中滑動套及相關組件與中心管的相對移動由鎖塊限制，極大提高了承載力。只有中心管達到坐封壓力時鎖塊被啟動活塞釋放，封隔器開始坐封過程。

圖2 防提前坐封機構

3）承載力更高的坐封機構。圖3所示的坐封機構中，鎖環(huán)內(nèi)外側(cè)均具有單向齒結(jié)構，優(yōu)化了坐封時鎖環(huán)受力狀態(tài)。常規(guī)鎖環(huán)結(jié)構由鎖環(huán)截面與內(nèi)側(cè)齒面承擔主要載荷。雙向齒的鎖環(huán)結(jié)構使用外側(cè)齒面代替鎖環(huán)截面受力，增大了受力面積并改變了鎖環(huán)受力方向。改進后的坐封機構可承擔更高坐封壓力，進而保證了封隔器高壓密封性能。

圖3 坐封機構

4）結(jié)構緊湊。同一圓周上分布雙向卡瓦的設計有效縮短了封隔器軸向長度，緊湊的結(jié)構可有效降低部件的加工成本。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)試驗

對本款封隔器9-5/8 in（224.4 mm）40#套管工裝內(nèi)展開坐封功能、膠筒密封及解封試驗測試，如圖4所示。

1）對封隔器中心筒注壓后，在1500 psi（10.34 MPa）時第一組剪釘切斷，1650 psi（11.38 MPa）時第二組剪釘切斷。3000 psi（20.68 MPa）坐封、穩(wěn)壓10 min后無明顯壓降，坐封成功，如圖5所示。

圖4 封隔器壓力測試

圖5 封隔器坐封壓力曲線

2）對封隔器坐封后密封性能進行測試，分別測試上、下環(huán)空密封能力。

對封隔器與套管環(huán)空階梯注壓，圖6、圖7所示的上、下環(huán)空達到7500 psi（51.72 MPa）保壓后無明顯壓降。測試結(jié)果滿足設計要求。

3）使用液壓加載機對坐封后封隔器施加拉力，對封隔器上提解封過程進行測試。測試數(shù)據(jù)為26 000 kg，偏差小于10%，滿足設計要求。

3.2 下井試驗

室內(nèi)試驗通過后在陸地井場對本封隔器進行實地測試，實驗井首先下入9-5/8 in套管，工具管串由變扣短節(jié)、封隔器、坐封球座、浮鞋組成。

圖6 封隔器上環(huán)空密封壓力曲線

圖7 封隔器下環(huán)空密封壓力曲線

工具管串下入后封隔器深度位于365 m處，上提懸重18 000 kg，下放懸重20 000 kg。坐封后上環(huán)空驗封壓力3000 psi（20.69 MPa）, 球座剪切壓力3480 psi（24 MPa）。解封時最大上提懸重45 000 kg,經(jīng)計算解封力27 000 kg。通過實驗井測試，對本款封隔器進行了驗證，其性能指標滿足設計需求。

4 結(jié)論

1）為實現(xiàn)智能注水工藝，研制了本款生產(chǎn)封隔器。為測調(diào)機械手提供了線纜穿越通道，可配合配水器與隔離封隔器完成精細化分層注水。

2）防提前坐封機構保證了封隔器坐封過程僅由中心管達到坐封壓力時開啟，可有效防止下入過程中封隔器外側(cè)受力導致的提前坐封。

3）優(yōu)化鎖環(huán)受力狀態(tài)的坐封機構可承載較大坐封力，使封隔器具備高壓密封能力。

4）試驗表明該封隔器坐封、密封、解封等均具有良好性能，可滿足實際生產(chǎn)需要。具有廣闊的應用前景。