高壓分層注入封隔器的研制與應用

秦世群, 宋保建, 范喜群, 馬宏偉, 劉 磊，張 華

(河南油田分公司)

雙河油田已經過40年的開采,非均質嚴重，細分注水、細分酸化是目前在高含水期開采的主要手段。目前用的Y341-115注水封隔器在坐封時，洗井閥處于關閉狀態，在雙河油田的江河區塊，注入啟動壓力高，超過20 MPa以上，由于水是不可壓縮的，膠筒壓縮距達不到最大值，坐封不好，從而影響到封隔器的密封性；其次是封隔器膠筒肩部保護結構采用的是單層1.5 mm紫銅碗保護結構，坐封后，與套管內壁單邊還存在3 mm間隙，沒有完全保護住膠筒；還有膠筒自身耐壓性能不夠好，主要表現在因地層啟動壓力高，封隔器坐封不好，密封性下降；在分層酸化時因施工壓力高、施工時間長，封隔器失效；在分層注水時，因注水壓力高，導致封隔器有效期短。針對Y341-115封隔器在江河區塊的應用缺點，優化設計了封隔器的洗井閥控制銷釘機構、紫銅碗膠筒保護機構及優選出膠筒配方，最終使封隔器滿足該區塊的分層注水、分層酸化工藝的需求。

一、技術分析

1.結構

高壓分層注入封隔器為液壓坐封、上提管柱解封的多用途封隔器，主要由洗井閥機構、坐封機構、膠筒肩部保護機構及膠筒鎖緊機構等組成[1-9]，其結構如圖1所示。

圖1 Y341-115封隔器結構示意圖

1 上接頭 2 解封銷釘 3 洗井閥銷釘 4 上連接套 5 小連接套 6 洗井閥1 7 T型密封環 8 洗井閥2 9 上鋼套 10 內中心管 11 外中心管 12 上擋套 13 雙層紫銅碗 14 邊膠筒 15 隔環 16 中膠筒 17 推環 18 鎖爪 19 鎖套 20 解封套 21 上活塞1 22 上活塞2 23 下鋼套 24 下活塞1 25 下活塞2 26 下接頭 27 防中途坐封銷釘 28 底擋環

2.工作原理

2.1 封隔器坐封

按管柱設計示意圖，在地面將封隔器與其它配套工具組配好下入井中，下到設計位置后，從油管打壓6 MPa，剪斷防中途坐封銷釘，推環、鎖套、上活塞1、下鋼套、下活塞1一起上行，鎖爪與鎖套咬合，油管繼續升壓到10 MPa坐封封隔器，繼續升壓到15 MPa，剪斷洗井閥銷釘，上連接套、小連接套、洗井閥1、T型密封環、洗井閥2一起下行，關閉洗井閥,完成坐封過程，實現油套環空密封。

2.2 封隔器解封

解封時，上提管柱，借助膠筒與套管內壁的摩擦力，先剪斷解封銷釘，繼續上提管柱，上接頭、內中心管、解封套等配件一起上行，上鋼套、上擋套、雙層紫銅碗、膠筒、外中心管、鎖爪等配件相對靜止不動，當解封套與鎖爪接觸時，強迫使鎖爪內收，鎖爪牙齒離開鎖套，膠筒回彈，完成解封過程。

3.技術特點

3.1 洗井閥機構

主要由洗井閥銷釘、上連接套、小連接套、洗井閥1、T型密封圈、洗井閥2、上鋼套、上擋套配件組成，如圖1。

這時各級封隔器洗井閥處于打開狀態，在打油壓10 MPa坐封壓力時，上活塞1、下活塞1上移,壓縮膠筒排出的液體經洗井通道、經洗井閥排出到最上級封隔器油套環空里，不受地層啟動壓力高的影響，實現各級封隔器可靠坐封，提高封隔器密封性。繼續升壓到15 MPa左右時，剪斷洗井閥銷釘，關閉洗井閥。

3.2 膠筒肩部保護機構

膠筒肩部保護機構采用雙層紫銅碗疊加而成，內外紫銅碗厚2 mm[10]，如圖2所示。

圖2 雙層紫銅碗結構 圖3 內紫銅碗左視圖

內紫銅碗經線切割成12等份，如圖3,膠筒擠壓銅碗時，不損壞膠筒。當坐封時，壓縮膠筒，膠筒也擠壓雙層紫銅碗，雙層紫銅碗翻轉，充填封隔器上的上擋套和推環與套管內壁之間的間隙，充填后，單邊間隙僅為0.5 mm(目前封隔器單邊間隙為3 mm)，很好地保護了膠筒，那么膠筒在長時間承受壓差時，不易損壞。

3.3 膠筒膠料配方的優選

充分與膠筒廠家聯合攻關，首先設計一套工裝，用于試驗膠筒。方法是將膠筒(雙層紫銅碗)裝在工裝上，放在油浸試驗裝置里，油浸試驗裝置升溫到120℃，浸泡2 h，坐封膠筒并鎖緊，第一次打下壓25 MPa，穩壓 1 h，觀察穩壓情況；放壓，打上壓25 MPa，穩壓1 h，觀察穩壓情況。第二次打下壓30 MPa，穩壓1 h，觀察穩壓情況；放壓，打上壓30 MPa，穩壓1 h，觀察穩壓情況，每次升壓5 MPa，直到55 MPa，如密封，再提高3℃溫度，循環上下打壓，直到不密封為止。針對不同配方的膠筒，采用如此方法，最終篩選出的膠筒在140℃下，膠筒耐壓差55 MPa密封良好。而雙河油田最高溫度為132℃，因此該膠筒能滿足現場的要求。

二、室內試驗

在現場應用前，首先要進行室內試驗，在常溫下，驗證該封隔器的性能特點是否可靠，主要進行坐封性能、密封性能和解封性能試驗。

1. 坐封性能

首先要在上接頭和洗井閥2之間裝一個擋環，阻止洗井閥回退，封隔器組裝好后，下部連接絲堵，上部連接試壓管線，放入試驗裝置里，向試壓管線打壓10 MPa，穩壓5 min，再升壓到15 MPa，穩壓5 min，完成坐封。

2.密封性能

卸掉上接頭上的試壓管線，打下壓50 MPa，穩壓30 min后，壓降0.4 MPa；卸掉下接頭上的絲堵，裝在上接頭上，打上壓50 MPa，穩壓30 min后，壓降也為0.4 MPa。經過試驗，在15 MPa坐封壓力下，坐封可靠，達到密封要求。

3.解封性能

固定好試驗工裝，在封隔器(1個M12黃銅解封銷釘)上接頭裝上油管短節，上提油管短節，當上提負荷到160 kN時，封隔器解封。

從上述三步室內試驗環節上看出，達到設計要求，為現場應用提供依據。

三、現場應用

1.施工工藝

(1)入井前準備。按照施工設計要求，對井筒進行通井、刮管、洗井作業，對每只封隔器進行室內試壓3 MPa，檢驗封隔器是否有漏失點，按管柱圖在地面組配各配套工具，為下井做好準備。

(2)坐封。當注水、酸化、壓裂管柱下到設計位置后，先要坐封隔器，油管打壓10 MPa，穩壓5 min，緩慢升壓到15 MPa，剪斷洗井閥銷釘，完成封隔器坐封。按照注水、酸化、壓裂施工設計要求施工。

(3)解封。需要起管柱時，直接上提管柱，借助膠筒與套管壁的摩擦力，剪斷解封銷釘，繼續上提管柱，解封套使鎖爪內收，膠筒回彈，完成解封過程。

2.現場應用

截止到2017年12月，該封隔器已在現場應用了12口井，其中分層注水7口井，五級五段1口井，三級三段2口井，二級二段4口井，最高注水壓力37 MPa，工藝成功率100%，有效期在2年以上。分層壓裂3口井，三級三段1口，二級二段2口井，最高施工壓力達87 MPa，工藝成功率100%，每口井安全起出。分層酸化2口井，三級三段酸化1口井，二級二段1口井，工藝成功率100%，最高施工壓力43 MPa。該封隔器在額定坐封壓力下，密封性能可靠，達到現場應用要求。

四、結論

(1)高壓注入封隔器采用洗井閥機構，實現坐封可靠，封堵密封性好。

(2)雙層紫銅碗膠筒肩部保護機構，有效地解決了膠筒防突問題，提高了封隔器的耐溫耐壓性能。

(3)室內及現場應用結果表明，高壓注入封隔器在額定坐封壓力下能可靠坐封，施工成功率高，有效期長，滿足現場應用要求。