雙作用CO2驅氣密封隔器研究

張瑞霞，劉建新，王繼飛，韓　博，魏　偉，王衛明

（1.勝利油田石油工程技術研究院，山東東營257000；2.勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東東營257000）

設計計算

雙作用CO2驅氣密封隔器研究

張瑞霞1，劉建新1，王繼飛2，韓博1，魏偉1，王衛明1

（1.勝利油田石油工程技術研究院，山東東營257000；2.勝利油田高原石油裝備有限責任公司，山東東營257000）

CO2驅工藝已成為提高低滲透油藏采收率的關鍵技術。在CO2驅工藝管柱中，氣密封隔器是關鍵部件。為保證CO2驅工藝的氣密效果，研制了雙作用CO2驅氣密封隔器，主要由坐封機構、密封機構、鎖緊機構、解封機構、丟手機構、卡瓦防回彈機構等組成，采用液壓坐封和機械坐封雙重作用，具備密封、承壓、錨定、丟手、解封打撈等多種功能。該封隔器在中石化華東分公司進行了現場試驗，7個月后套壓仍然為0，表明封隔器承壓性能良好。氣密封隔器的研制為CO2驅注氣工藝技術的推廣應用奠定了基礎。

CO2驅；氣密封；封隔器

CO2驅工藝近幾年來已成為提高低滲透油藏采收率的關鍵技術。CO2與原油在一定的壓力下容易實現混相，適合混相驅。如何將CO2順利地注入地層，增加地層能量，實現驅油效果，是CO2驅注氣工藝的關鍵技術之一。不論是多層合注還是分層分注，在CO2的注入工藝管柱中，封隔器是重要的封隔工具。CO2在高溫高壓狀態下（溫度高于31.1℃，壓力高于7.38 MPa）即為超臨界狀態，流體的黏度接近于氣體，密度接近于液體，因此，適用于CO2的密封封隔器的性能要比常規的液壓封隔器的性能要求高［1-2］。

目前，最常用的分層可錨定封隔器是Y441型封隔器。經過多次反復的室內試驗發現，常規的Y441型封隔器無法實現高溫高壓CO2超臨界流體的雙向承壓密封［3-5］。因此，設計新型的雙作用坐封的CO2驅氣密封隔器——液壓和機械雙重作用，提高膠筒的坐封效果。

1　結構和工作原理

雙作用CO2驅氣密封隔器主要由坐封機構、鎖緊機構、密封機構、錨定機構、解封機構、丟手機構、防轉機構等組成，如圖1所示。

圖1　CO2氣密封隔器結構

該工具可實現密封、丟手、解封、防轉、打撈等多種功能。同時由于膠筒采用了耐氣密材料［6］，設計了耐氣密的膠筒結構，以及采用雙作用坐封方式，因此封隔器具有較好的耐氣密封性能。

1） 坐封原理。在中心管內液體的推動下，坐封剪釘被剪斷，推動坐封活塞，帶動鎖環向上運動，推動下錐體帶動卡瓦張開；卡瓦錨定后，向下拉動外中心管、膠筒管等帶動膠筒下行被壓縮坐封，同時鎖環實現鎖緊功能，保證膠筒和卡瓦的坐封效果。在完成坐封后，工具上端施加一定的機械力，向下壓縮膠筒，提高膠筒的坐封效果，保證其密封性。

2） 承壓原理。坐封完成后，膠筒可承受雙向密封壓差。當承受上壓時，液壓力通過膠筒傳遞到上錐體傳遞到卡瓦，可保證有效承壓；當承受下壓時，液壓力通過膠筒傳遞到上帽、外中心管、鎖環，再到下錐體和卡瓦，可保證有效承壓。

3） 錨定原理。完成坐封的同時，卡瓦張開到套管壁上，同時，在下錐體下方安置碟簧機構，可以防止在封隔器機械下壓時，因下錐體的活動而卡瓦松動，保證了卡瓦的錨定效果良好。

4） 丟手原理。當需要丟手時，優先采用液壓投球丟手方式。投球后，丟手活塞被打掉，上接頭與鎖爪套之間鎖爪可脫開連接實現丟手，在液壓丟手失效情況下，仍可采用機械倒扣丟手來實現，保證丟手的可靠性。

5） 防轉原理。中心管與上帽之間通過擋環上的鍵實現防轉連接，上帽與膠筒管螺紋連接，膠筒管與上錐體、上錐體與卡瓦套之間通過防轉釘實現防轉連接，卡瓦套將轉矩傳遞到卡瓦，最終保證卡瓦和中心管之間轉矩的傳遞，可保證封隔器在解封打撈不順利時可以輔助轉動打撈。

6） 解封和打撈原理。利用撈矛撈住丟手內套或者中心管，上提，剪斷內外中心管之間的解封剪釘，上提，依次實現膠筒的解封和卡瓦的解封，繼續上提，實現封隔器的打撈。

2　技術參數

設計了139.7 mm（5英寸）套管內應用的氣密封隔器，其技術參數如表1所示。

表1　雙作用　CO2驅氣密封隔器技術參數

3　關鍵技術

3.1確定坐封液壓力

一般情況下，膠筒坐封力達到60～80 k N，坐封后可以滿足密封要求。計算該封隔器膠筒坐封時的活塞面積

式中：d1為活塞的外徑，mm；d2為活塞內徑，mm。80 k N機械坐封力情況下需要的坐封液壓力

式中：F為機械坐封力，N；p為液壓坐封力，MPa。

同時，考慮該封隔器為液壓、機械雙作用坐封封隔器，在液壓坐封完成后會有部分機械力幫助坐封，因此，液壓坐封力可以降低15～20 MPa。

3.2鎖環可靠性設計

封隔器坐封完成后鎖環的鎖緊可靠性對膠筒的密封性能和卡瓦的錨定性能較大影響。該封隔器的鎖緊系統采用機械鎖緊的原理，使鎖環與鎖緊套相配合承受由卡瓦和錐體傳遞的力。鎖環和鎖緊套的連接采用步進式單向鎖緊螺紋，只要該鎖緊螺紋不受到剪切破壞，就能保證鎖環的鎖緊可靠性，下面計算鎖緊螺紋的強度。

該螺紋牙承受剪切載荷的強度條件為τ＜［τ］，即

式中：［Q］為剪切強度條件下，該螺紋能承受的最大載荷；d為該螺紋接觸面中徑，d=88.85 mm；b為接觸面中徑處的軸向厚度，b=0.90 mm；N為螺紋有效齒數，N=6；［τ］為材料許用剪切應力，MPa。

式中：σs為材料屈服極限，鎖緊套與鎖環均為3Cr13材料，σs=540 MPa；n為安全系數，n=1.2。

通過以上公式求得［Q］=3.98×105N

封隔器的鎖環主要承受下壓時對鎖環的拉動力，設坐封承受30 MPa壓差，鎖環和鎖緊套承受的軸向力為Q=5.2×104N，遠小于［Q］=3.98×105N，因此該封隔器的鎖環鎖緊是可靠的。

4　現場應用

雙作用CO2驅氣密封隔器研制后，在華東分公司某氣驅井進行了成功應用。

注氣管柱結構如圖2。應用該管柱的井是一口轉注井。最大井斜角30°，采用雙作用CO2驅氣密封隔器進行封隔，下端配套注氣閥，一方面實現封隔器的坐封，另一方面實現注氣的單向注入。經過7個多月跟蹤后，注入狀況良好，且套壓為0。表明封隔器的密封、錨定性能優良。

圖2　注氣管柱結構

5　結論

1） 研制的雙作用CO2驅氣密封隔器通過液壓坐封和機械坐封雙重作用，提高了封隔器的坐封效果和密封承壓效果。

2） 該封隔器具備氣密、錨定、丟手、防轉、解封等多種功能。

3） 現場應用證明，該封隔器滿足CO2驅注入、密封等的要求，在CO2驅注氣工藝中具有廣闊的應用前景。

［1］張瑞霞，劉建新，田啟忠，等.CO2驅注氣管柱研究及應用［J］.石油機械，2013，41（12）：26-32.

［2］張瑞霞，劉建新，王繼飛，等.CO2驅免壓井作業注氣管柱研究及應用［J］.鉆采工藝，2014，37（1）：78-82.

［3］董社霞，彭漢修，張瑞霞，等.復雜結構井完井多功能液壓懸掛器［J］.石油機械，2011，39（6）：32-37.

［4］趙仲浩，程心平，鄭金中，等.海上油田用Y445-210型丟手懸掛封隔器研制石油機械［J］.石油礦場機械2014，43（10）：70-75.

［5］宋運武，魯飛，程剛，等.雙級密封封隔器的研制與應用［J］.內江科技，2014（8）：28-30.

［6］朱達江，林元華，鄒大鵬，等.CO2驅注氣井封隔器橡膠材料腐蝕力學性能研究［J］.石油鉆探技術，2014，42（5）：126-130.

Study of Double Acting Gastight Packer for CO2-Flooding

ZHANG Ruixia1，LIU Jianxin1，WANG Jifei2，HAN Bo1，WEI Wei1，WANGWeiming1
（1．Petroleum Engineering Research Institute，Shengli Oilfield，Dongying 257000，China；2．Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co．，Ltd．，Dongying 257000，China）

CO2flooding has become the important method for enhancing oilfield recovery in low permeability oil reservoirs.In the process string，gastight packer is the key question.To ensure the gastight effect，the double acting gastight packer is designed.The packer is composed by set-ting mechanism，sealing mechanism，lath mechanism，unsetting mechanism，releasing mechanism，and slip mechanism and so on.The packer has several functions，such as sealing，pressure bearing，anchoring，releasing，unlocking and so on.Now，the packer has been used for 7months in the East-ern Branch Company.The casing pressure is 0，which indicates that the performance of packer is outstanding.The success of gastight packer provides the power for promoting CO2-flooding tech-nology.

CO2-flooding；gastight；packer

TE931.203

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.008

1001-3482（2015）11-0034-04

2015-05-11

國家科技重大專項“CO2驅油油藏工程及注采工藝關鍵技術研究”（2012BAC24B03）

張瑞霞（1983-），女，山東肥城人，工程師，碩士，2009年畢業于中國石油大學（華東），現從事完井、采油工藝、工具方面的研究和設計，E-mail：upczrx＠163.com。