沖砂分流封隔器結構設計及分析

王利軍，邢洪憲，李清濤，張云馳，王世強(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

沖砂分流封隔器結構設計及分析

王利軍，邢洪憲，李清濤，張云馳，王世強
(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

油井出砂是油田開采中后期常見的問題，出砂后不僅會磨蝕井下設備，也會砂埋油層，造成油井停產，危害極大。針對目前常規沖砂技術具有皮碗磨損嚴重，作業管柱摩阻大等問題，研制了一種可應用于沖砂洗井作業的分流封隔器，并從結構設計、工作原理及密封性能等方面進行了分析。該工具自身設計分流通道，滿足正、反循環要求，且皮碗可多次收縮、張開，能夠有效降低管柱摩阻，減少作業風險，應用前景廣闊。

封隔器；沖砂；分流；皮碗

隨著油田開采進入中后期，油井出砂已經成為比較常見的問題，出砂后不僅會磨蝕井下設備，也會砂埋油層，直接影響到油井的原油產量，危害極大。在完井及修井作業期間，刮管沖砂作業作為基礎性作業步驟，是確保后續作業步驟正常進行的關鍵[1-4]。采取合適的刮管沖砂工藝技術及工具，不但能夠提高作業質量，避免后續作業中復雜情況甚至井下事故的發生，而且能夠提高整個完井及修井作業階段的作業效率，縮短作業周期，降低作業成本。沖砂配套封隔器作為整個工藝技術中的關鍵工具，在作業工序中起到十分重要的作用。

1 技術現狀

目前沖砂洗井作業中多采用自封式封隔器[5-7]，該封隔器可適用于驗封、沖砂洗井等作業，主要由密封皮碗及中心軸組成，結構簡單。其皮碗外徑大于套管內徑，靠皮碗與套管的過盈配合來實現密封。由于皮碗外徑尺寸大于套管內徑，下井過程中皮碗外緣會緊貼套管內壁下滑，如遇井壁破損或毛刺極易損壞皮碗，造成密封不嚴，影響作業效果。另外，由于皮碗始終處于張開狀態，起下作業管柱過程中，會加大管柱上提的摩阻，如果遇攜砂液回落等問題，則有砂卡管柱的風險。自封式封隔器皮碗磨損如圖1所示。

a 雙皮碗封隔器磨損

b 單皮碗封隔器磨損

2 分流封隔器設計

2.1 工作原理

分流封隔器可應用于刮管、驗封及沖砂洗井等作業。下井時，封隔器皮碗外徑小于套管內徑，隨管柱下入到位后管柱內部憋壓，皮碗張開，貼緊套管內壁，密封套管環空。該封隔器自身設計循環通道，沖砂洗井等作業時可滿足正、反循環作業要求。作業結束后，管柱內繼續憋壓，封隔器皮碗即可收回，收回后外徑小于套管內徑，管柱動作時可減小摩阻。皮碗動作機構采取轉向軌道方式設計，皮碗張開、收縮穩定可靠，能夠反復多次動作。該封隔器可有效提高沖砂洗井效率，降低作業風險。

2.2 結構

分流封隔器主要由上接頭、中心管、滑軌套、復位彈簧、內襯套、推筒、導向銷、皮碗等組成，如圖2。皮碗直接硫化到皮碗座上面，通過螺紋與滑軌套相連接。中心管與上接頭相連，起密封及連接作用。通過管柱內憋壓，可使導向銷在滑軌套上沿導向槽上下滑動，從而帶動推筒上行或下移，推筒下移時撐開皮碗，密封套管環空，推筒上移時，皮碗自動收回。復位彈簧通過彈簧套與推筒連接，可對推筒的上行起到一定的輔助作用。軌道整周布置，能夠實現皮碗多次張開、收回。內襯套連接在中心管與滑軌套之間，設計有流道孔，可使該工具滿足正、反循環作業要求。

a 分流封隔器結構

b 內流道剖面

c 滑軌套上導向槽展開圖

2.3 技術特點

1) 與目前常規皮碗自封式封隔器相比，作業管柱起、下井時，封隔器皮碗外徑小于套管內徑，有效減小摩阻，降低作業風險。管柱到位后，管柱內憋壓皮碗即可張開，緊貼套管內壁，密封套管環空。

2) 分流封隔器采取雙層通道結構設計，自身設計有循環通道，下井后能夠建立管柱內外循環，可滿足現場正、反循環等多種作業要求，能夠適用于沖砂洗井、驗封等作業。

3 皮碗性能分析[8-10]

3.1 優化分析

分流封隔器皮碗起、下井過程中，皮碗外徑小于套管內徑，這樣可有效減小皮碗自己的磨損及管柱動作的磨阻。使用過程中，皮碗會由推筒撐開，緊貼套管內壁，密封套管環空。皮碗在使用過程中會受推筒及套管兩方面作用力，結構設計會直接影響其密封性能。經過優化設計，選取皮碗材料為氫化丁晴橡膠，外徑216 mm，內徑184 mm，推筒外徑188 mm。模擬皮碗工作狀態，對皮碗進行應力分析驗證。當推筒下行預定距離，環空加壓20 MPa時，皮碗外壁緊貼套管，且接觸面積大，應力分布均勻，分析如圖3所示。

a 皮碗接觸應力分布

b 加壓工作時皮碗最大應力分布

3.2 皮碗試驗

為驗證皮碗密封性能，確定皮碗最終尺寸后，對所加工的皮碗進行了密封試驗。試驗步驟如下：

1) 將皮碗、密封光桿、試驗套管等按照圖4試驗工裝組裝。試驗現場如圖5。

2) 試驗工裝左側密封光桿連接液壓管線，加壓使推筒下移，撐開皮碗，鎖定推筒。

3) 由密封試壓接頭往套管環空內加壓，測試皮碗密封性能。

1— 密封光桿；2—密封試壓接頭；3—244.5 mm(9英寸)套管；4—試驗工裝。圖4 皮碗密封試驗工裝

圖5 皮碗密封試驗現場

根據試驗步驟，在室溫條件下分別對皮碗進行了3次密封試驗，密封性能均滿足設計要求。密封試驗結束后，將皮碗收回，工裝由試驗套管中取出，檢測發現皮碗未見明顯磨損。試驗數據如表1。

表1 皮碗密封試驗數據

4 結論

1) 沖砂洗井作為完井及修井期間的基礎性作業步驟，是確保后續作業正常進行的關鍵。采取合適工藝技術，能提高作業質量及效率，可有效降低作業風險。

2) 分流封隔器可有效密封油套環空。自身設計有循環通道，能夠適用于沖砂洗井、驗封等作業。

3) 分流封隔器結構簡單、操作方便、制造成本低，可有效提高作業效率，降低完井及修井作業中事故發生的概率，應用前景良好。

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Structure Design and Analysis of Split Packer

WANG Lijun，XING Hongxian，LI Qingtao，ZHANG Yunchi，WANG Shiqiang
(EnerTech-Drilling&ProductionCompany，CNOOC，Tianjin300452，China)

Sand production is a common problem in the later stage of oil production，it will not only wear the down hole equipment and also will be buried in oil，causing the oil well production stop.At present，conventional sand flushing technology has some problems，such as serious cup wear，tube has big friction resistance.A shunt packer is introduced in this paper that can be used for sand flushing operations，mainly analysis the structural，working principle，sealing performance and so on.The tool has a split channel to meet the requirements of the positive and reverse circulation.The leather bowl can be contracted and opened for many times，which can effectively reduce the frictional resistance of the pipe column and reduce the risk of operation，has broad application prospects.

packer；sand washing；diverting；cup

2016-11-18

中國海洋石油總公司能源發展股份有限公司科研項目 “刮管沖砂一體化工藝技術研究”(HFXMLZ-GJ2015006)

王利軍(1984-)，男，工程師，主要從事海洋石油鉆完井工具研發工作，E-mail：wanglj9@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)03-0073-04

TE931.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.016