API 11D1 V3等級懸掛封隔器的設計與應用

張 亮，孔學云，李寶龍，左 凱，齊海濤，閆 紳，信召玲

1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 （天津 300452）2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 （天津 300452）

封隔器是主要完井井下工具之一，是坐封在套管或裸眼中，封隔管柱之間或管柱與井眼之間的環形空間，阻止環形空間內流體（液體或氣體）流動的機械裝置。其主要功能：①封隔套管射孔段或裸眼段，滿足分層防砂、儲層改造、控水堵水等作業需要；②分層開采，防止層間流體串通、壓力干擾，滿足采油（氣）井生產和注水的封隔作用；③封隔油管與套管環空，起到保護套管和安全生產的作用；④懸掛管柱的作用[1]。

API 11D1[2]標準中規定封隔器可分為V6～V0等級。其中：V6等級是封隔器的最低級別，根據廠家自行設計要求進行測試；V5～V4等級主要是滿足液體密封和軸向載荷要求；V3等級要滿足液體密封、軸向載荷和溫度循環同時測試要求；V2～V0等級要滿足氣體密封、軸向載荷和溫度循環同時測試，其中V0要達到0氣泡檢測要求。不同級別的封隔器應用范圍不同，通常情況，V6～V4級別的封隔器主要應用在常規的油井中，V3級別的封隔器應用在對溫度和懸掛載荷有明確要求的油井中，V2～V0級別的封隔器主要應用在高溫高壓的氣井中。

目前，海上油氣田使用的高溫高壓氣井封隔器（V2～V0）基本都是國外Baker、Halliburton等公司生產，國內生產的高溫高壓氣井封隔器（V2～V0）在新疆、四川等氣田中應用[3-4]。

依據API 11D1 V3等級標準設計了一種懸掛封隔器，并提出了同時滿足“溫度、壓力、載荷”的封隔器測試方法和驗證方法，為國內更高級別的氣密封隔器研發和測試提供技術借鑒。

1　懸掛封隔器設計

1.1　結構特點

懸掛封隔器主要由坐封機構、鎖緊機構、密封機構、錨定機構和解封機構5部分組成[5]，如圖1所示。

1）座封機構：位于封隔器上部，由壓套1、鎖環2、上鍵3、連接套6、剪切銷釘（1）7和上箍環8組成。封隔器坐封是通過專用液壓投送工具推動座封機構實現坐封。

2）鎖緊機構：位于連接套內部，由連接套6、鎖環3（帶單向鋸齒螺紋）、釋放接頭2（帶細齒爬行螺紋）組成。鎖緊機構是防止座封后膠筒回彈，實現封隔器錨定和密封狀態的鎖緊可靠。

圖1　懸掛封隔器結構簡圖

3）密封機構：由膠筒9組成，主要是封隔油管和套管環空。

4）錨定機構：由卡瓦套12、上錐體13、卡瓦14、板簧15和下錐體16組成，主要是建立管柱支撐點，將管柱壓力作用在套管上。

5）解封機構：位于封隔器下部，由中心管5、彈性爪17、解封環18、解封螺釘19組成，解封由專用的解封工具，通過解封機構來實現解封。

1.2　工作原理

封隔器是套管井或裸眼井用來封隔油、氣、水層的專用井下工具[6]。它通過專用的坐封工具傳遞推力，推動坐封機構向下移動，使鎖緊機構的鎖環向下移動、密封機構的膠筒和錨定機構的卡瓦徑向漲開，最終鎖緊機構起到上部鎖緊作用、卡瓦牙咬入套管起到下部錨定作用、膠筒漲開緊貼套管起到了密封油、套環形空間作用[7]。從而實現油、水井的分層采油、分層注水、分層改造和封堵水層，同時，卡瓦起到了懸掛和固定整個管柱的作用[8]。

1）封隔器下入到設計位置后，由井口向液壓坐封工具內部打壓，推動壓套向下運動，剪切銷釘(1)被剪斷，進而推動鎖環向下運動，由于鎖環（內外均有鋸齒形螺紋）套在釋放接頭（帶細齒爬行螺紋）上，使得鎖環在向下運動時從釋放接頭的細齒螺紋上滑過，并不能返回；同時，推動上箍環、膠筒、下箍環向下運動，并剪斷剪切銷釘（2），進而推動上錐體向下運動，卡瓦徑向漲開并咬入套管。當繼續向液壓坐封工具加壓，推動膠筒的作用力進一步增大，使得工件繼續徑向膨脹緊貼套管，實現環空密封，完成坐封過程。

2）可以承受向上、向下的環空密封壓力，由于錨定機構在密封機構下部，可以承受向下懸掛力。

3）將專用的解封工具下入封隔器內，解封工具的打撈體通過解封環，上提解封工具，打撈體徑向張開掛在解封環上，繼續上提解封工具，剪斷解封螺釘，帶動解封環、中心管向上運動，使得上下錐體和卡瓦縮回，膠筒回彈收回，實現封隔器解封。

1.3　設計的技術參數

按照API 11D1 V3等級標準進行懸掛封隔器設計，參數如下：

215.6mm（9 5/8"）套管、N80鋼級、18.16 kg（40磅），（內徑224.4 mm、外徑244.48 mm）；座封力25±10%t；封隔器內徑152.4 mm（6"）；封隔器卡瓦錨定力≥90 t；封隔器耐壓35 MPa（雙向）；封隔器承受靜載荷40 t；溫度循環區間40～90℃。

1.4　封隔器包絡線性能極限點設計

根據封隔器結構原理及參數，并依據API 11D1 V3等級標準，設計并繪制封隔器包絡線測試點。通過坐封工具對封隔器進行套管內坐封，并通過坐封工具施加上下載荷，坐封后可進行上下腔驗封，封隔器性能測試如圖2所示。

圖2　封隔器性能測試簡圖

套管內徑（D）為224.4 mm；坐封工具密封桿外徑（d1）為115 mm；封隔器密封筒內徑（d2）為152.4 mm。

其中：A為面積，mm2；D為管柱直徑，mm。由此計算上下腔驗封時，試驗工具各處液壓面積計算結果見表1。依據力計算公式F=P×A和力平衡原理（其中F為上拉力或下壓力，t；P為測試壓強，MPa），由此計算封隔器包絡線各點試驗參數，結果見表2。

表1　封隔器上下腔驗封時各處液壓面積

表2　封隔器包絡線各點試驗參數

2　懸掛封隔器API 11D1 V3等級的測試

2.1　試驗方法及步驟

依據API 11D1 V3等級標準，按照封隔器試驗包絡線極限性能參數點，對懸掛封隔器進行試驗[9-11]。整套試驗工具管串包括鉆桿短節+坐封工具+封隔器+試驗堵頭，在套管內坐封。試驗步驟如下：

1）安裝試驗工具，井筒加溫至約90℃，保溫15 min，記錄井筒溫度。

2）坐封封隔器，坐封壓力為（17.94±10%）MPa。

3）測試額定性能包絡線交叉點。①測試A點：向上拉伸至90 t，保持2 min，記錄載荷變化(此時卡瓦受到90 t上拉力)，卸掉載荷；②測試B點：先向上拉伸90 t，再上部驗封打壓34.5 MPa，保持15 min，記錄載荷和壓力變化，先卸掉壓力，再卸掉載荷；③測試C點：上部驗封打壓34.5 MPa，保持15 min，記錄載荷和壓力變化，先卸掉壓力，再卸掉載荷；④測試D點：向下壓縮40 t，保持2 min，記錄載荷變化，記錄向下位移量(此時膠筒承受40 t的壓縮載荷)，卸掉載荷；⑤測試E點：向下壓縮40 t，下部驗封打壓34.5 MPa，保持15min，記錄壓力和載荷變化，先卸掉壓力，再卸掉載荷；⑥測試F點：下部驗封34.5 MPa，保持15 min，記錄壓力變化，卸掉壓力；⑦測試A點：向上拉伸至90 t，保持2 min，記錄載荷變化，卸掉載荷。

4）降低井筒溫度至約40℃，保溫15 min，記錄井筒溫度。

5）重復步驟3。

6）升高井筒溫度至約90℃，保溫15 min，記錄井筒溫度。

7）重復步驟3。

8）降低井筒溫度至室溫，取出服務工具。

9）下入解封工具，回收封隔器。

1.人們未能從經濟效益最大的價值角度來認識商品包裝，整個包裝活動缺乏完善、健全的設計規范，未能形成完善的約束機制和監督體系。很多企業缺乏完善、科學的設計思維，存在過于重視設計、一味堆積元素等問題，這影響了當前包裝設計的實用價值。

2.2　試驗過程及結果分析

根據上述測試步驟進行封隔器測試，并記錄各點測試情況，最終繪制出封隔器性能包絡線。

封隔器按照“高溫-低溫-高溫”溫度曲線進行了壓力和載荷的循環測試，封隔器在90℃時各個關鍵點測試曲線如圖3所示。測試結果表明封隔器滿足設計要求。

3　懸掛封隔器的具體應用

該懸掛封隔器于2017年10月在渤海某油田某井成功完成了190.4 mm（812″）裸眼水平井礫石充填防砂作業。該井參數：生產井，造斜點2 592 m，全角變化率（°/30m）為2.61，造斜終點2 734.94 m，造斜段長142.94 m，最大井斜角93.3°，終點方位29.27°，井底斜深2 740.88 m，井底垂深1 158.5 m，水平段長度148.87 m，井底水平位移2 159.99 m，閉合方位21.75°，水垂比1.86。

作業過程中封隔器最大坐封壓力為17.5 MPa；過提20 t，下壓5 t；驗封壓力21 MPa。結果表明封隔器錨定機構和密封機構滿足現場使用要求。

圖3　90℃時封隔器極限性能點測試曲線

4　結論

1）通過對懸掛封隔器設計、測試和應用，得知懸掛封隔器的錨定能力主要取決于卡瓦咬入套管后的承載能力。

2）API 11D1 V3等級懸掛封隔器是采用專門的坐封工具進行坐封，專門的解封工具進行解封回收，可應用于水平井的油套環空密封和懸掛承載。

3）提出了同時滿足“溫度、壓力、載荷”3個參數的封隔器測試和驗證方法，為國內更高級別的氣密封隔器的研發和測試提供技術借鑒。