高溫高壓注入封隔器的研制及在河南油田的應(yīng)用

高 濤，李廣志，林 波，李軍芳，潘二亮，苗玉禮

（1.中國石化河南油田分公司第一采油廠，河南桐柏474780；2.中國石化河南石油工程有限公司井下作業(yè)公司；3.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院 ）

河南油田以前注入封隔器過程中，存在一些問題：一是在注水過程中，由于水質(zhì)原因需要反洗井，但反洗井后，反洗井閥有的關(guān)不上；有的反洗井閥被腐蝕、磨損或密封件脫落導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán)；還有的因洗井通道堵塞反洗不通。二是在對低孔低滲、堵塞污染嚴(yán)重的井進(jìn)行酸化作業(yè)時，因酸化井施工壓力高（43 MPa）、施工時間長（10 h以上），出現(xiàn)封隔器密封失效的問題。三是在對3 500 m以下深井進(jìn)行壓裂施工作業(yè)時，由于施工壓力高（90 MPa）、井溫高（139℃），封隔器出現(xiàn)密封失效的問題。因此，開展了高溫高壓注入封隔器的研制和應(yīng)用工作，以適應(yīng)河南油田高溫高壓多種注入工藝的需要。

圖1 Y341－－115封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

1 Y341－115注入封隔器的結(jié)構(gòu)、工作原理及特點

1.1 注入封隔器設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)

在注入封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計［1－3］時，主要應(yīng)考慮：一是反洗井閥的打開與關(guān)閉應(yīng)可靠，二是膠筒應(yīng)耐高壓、耐高溫；三是活塞坐封面積應(yīng)大；四是鎖緊機構(gòu)應(yīng)保險；五是解封機構(gòu)應(yīng)用可靠；六是反洗井通道設(shè)計科學(xué)合理。經(jīng)反復(fù)論證研究，研制了Y341－115型高溫高壓注入洗井封隔器，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

（1）反洗井閥結(jié)構(gòu)。反洗井閥由上洗井閥體、下洗井閥體、復(fù)位彈簧、彈簧擋環(huán)等部件組成。這種組配方式，在復(fù)位彈簧作用下易于關(guān)閉；上洗井閥體與下洗井閥體結(jié)合密封部分為線接觸，這樣易于關(guān)閉和打開；上洗井閥體與下洗井閥體其材質(zhì)為特殊材質(zhì)，并經(jīng)特殊熱處理，具有防腐、防垢和耐磨損等特性；這樣在洗井關(guān)閉與打開過程中，不存在密封件脫落的問題。

（2）耐高溫、高壓膠筒結(jié)構(gòu)。在密封膠筒組配中，有三膠筒、單膠筒組配方式。本封隔器采用兩膠筒組配方式，主要是采用進(jìn)口主料和優(yōu)化配置輔料，并根據(jù)不同井溫和壓力來調(diào)整膠筒邵氏硬度的大小，最終提高膠筒耐高溫高壓能力。

（3）鎖緊和解封結(jié)構(gòu)。鎖緊結(jié)構(gòu)主要由鎖環(huán)、鎖套、鎖環(huán)座及坐封銷釘組成，首先鎖環(huán)與鎖套易于咬合；鎖環(huán)材質(zhì)采用優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，鎖環(huán)與鎖套咬合力（抗滑力）要克服膠筒的回彈力，且要有足夠的安全余量；解封結(jié)構(gòu)的坐封銷釘剪斷力也要克服膠筒的回彈力，且要有安全余量，但其剪斷力不易過大，過大了解封負(fù)荷也要增加，因此，坐封銷釘?shù)拇笈c小十分重要。

（4）反洗井通道結(jié)構(gòu)。反洗井通道結(jié)構(gòu)由內(nèi)中心管、外中心管、洗井進(jìn)液孔、洗井出液孔和下洗井閥體組成。內(nèi)中心管和外中心管之間間隙應(yīng)在保證其強度情況下而最大化，增加過流面積；洗井進(jìn)液孔銑成多個細(xì)小長縫型，以防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入洗井通道而堵塞，而洗井出液孔采用多個較大圓孔型，有利于及時排除洗井通道的雜質(zhì)。

1.2 工作原理及特點

（1）坐封原理。向油管打壓，當(dāng)壓力升到8 MPa左右時，防中途坐封銷釘被剪斷，上洗井閥體、下洗井閥體、中鋼套、下活塞體、下鋼套、鎖套一起上行，壓縮膠筒，鎖環(huán)與鎖套進(jìn)行咬合，繼續(xù)升壓到15 MPa時（封隔器坐封活塞面積為100 cm2），這時膠筒承受15 t的壓縮力，完成坐封。

（2）解封原理。上體管柱，借助膠筒與套管內(nèi)壁摩擦力（或過套管接箍）剪斷坐封銷釘，完成解封。

（3）特點：① 耐溫耐高壓，壓差60 MPa；耐溫140℃；②解封可靠，解封負(fù)荷≤6 t；③適用范圍廣，可實現(xiàn)分層壓裂、酸化和注水等多種用途施工作業(yè)；④用于壓裂施工時，中途遇到砂堵現(xiàn)象，可立即進(jìn)行反洗井，消除砂堵，洗井閥可重新關(guān)閉，繼續(xù)壓裂施工；⑤用于酸化時，有防中途坐封機構(gòu)，能實現(xiàn)正替工藝，使酸液快速到達(dá)目的層，提高酸化時效。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

截止到2013年10月底，該注入封隔器在河南油田現(xiàn)場實施了9口井，其中，單層酸化3口井，三層分層壓裂2口井，三級四段分層注水4口，工藝成功率100%。壓裂井最大井深達(dá)3 700 m，泵車施工壓力高達(dá)90 MPa，最大排量5 m3／min，最高砂比達(dá)48%，且管柱安全起出。

用于三層分層壓裂時，井下管柱示意圖見圖2。其組成為：高壓水力錨、Y341－115封隔器、滑套噴砂器、底部坐封噴砂器、安全接頭等。通過投球打滑套可實現(xiàn)多層分層壓裂。壓裂工藝過程是：管柱下到設(shè)計位置后，先進(jìn)行反洗井，投φ28 mm鋼球，30 min后，緩慢打油壓，控制排量在500 L／min左右，并分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa各壓裂點穩(wěn)壓5 min，完成各級封隔器坐封（封隔器坐封活塞面積為100 cm2），繼續(xù)升壓18～20 MPa左右，有明顯壓裂突降現(xiàn)象，底部坐封噴砂器與油套連通，此時可開始壓裂施工。等該層施工結(jié)束后，投φ33 mm鋼球打開滑套噴砂器2，滑套和φ33 mm鋼球落在下面安全接頭里面，且密封，防止壓裂液下行。當(dāng)該層施工結(jié)束后，再投φ37 mm鋼球，如此下去，完成3層分層壓裂。為了保證安全起出管柱，必須做到兩點，一是在每層施工結(jié)束后，最關(guān)鍵的是要精確計算頂替液量，切忌不可欠頂替；二是在放噴時要控制放噴速度。

圖2 三層壓裂管柱示意圖

用于三級四段分層注水時，井下管柱見圖3。其組成為：偏心配水器、Y341－115注入封隔器、減震器、中部球座、篩管及絲堵。其工藝過程是：管柱下到設(shè)計位置后，先進(jìn)行反洗井，緩慢打油壓，并分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa各壓裂點穩(wěn)壓5 min，完成各級注入封隔器坐封，然后坐好注水井口完井，從油管內(nèi)進(jìn)行注水，各層根據(jù)偏心配水器里水嘴大小實現(xiàn)對各層分層注水。當(dāng)管柱有堵塞時，可進(jìn)行反洗井，洗通后可繼續(xù)注水。

用于單層酸化時，井下管柱見圖4。其組成為：高壓水力錨、Y341－115注入封隔器、酸化開關(guān)及底部坐封器。其工藝過程是：管柱下到設(shè)計位置后，先進(jìn)行反洗井，如果酸化層堵塞嚴(yán)重，擠酸壓力高，可根據(jù)油管深度正替油管里的液體，投φ28 mm鋼球，等鋼球到達(dá)底部坐封器球座上時，緩慢打油壓，并分別在5 MPa、10 MPa、15 MPa各壓裂點穩(wěn)壓5 min，完成各級封隔器坐封，繼續(xù)升壓到18～20 MPa左右時，壓力突降，油套連通，再投φ32 mm鋼球，等鋼球到達(dá)酸化球座上時，緩慢升壓到15 MPa左右時，壓力突降，鋼球和滑套下行到底部坐封隔器里，且密封，以防酸液下行。此時酸化開關(guān)與酸化層連通，這時向油管里擠入酸液，酸液很快就能到達(dá)油層，酸化施工完后，可進(jìn)行反洗井，洗出井筒殘酸液，防止二次污染，且有利于下步管柱起出，完成酸化施工過程。

圖3 三級四段分層注水管柱示意圖

3 結(jié)論

（1）河南油田研制的Y341－115封隔器耐溫耐壓高，可滿足深井壓裂、酸化等工藝要求。該封隔器工藝成功率高，節(jié)約因返工修井作業(yè)成本。

（2）封隔器反洗井閥打開與關(guān)閉密封可靠，提高注入工藝成功率。

（3）該封隔器可廣泛用于壓裂、酸化、注水等注入工藝。

圖4 單層酸化管柱示意圖

［1］ 羅躍綱.材料力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：91－120.

［2］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：88－90.

［3］ 羅英俊，萬仁溥.采油技術(shù)手冊［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005：543－550.