耐高溫雙通道熱采封隔器的研制

李 輝，沈 威，陳 平，杜亞軍，張衛東，毛慶汝

（1. 中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽 473132；

（2. 中國石化河南油田分公司采油二廠；3.中國石化河南油田基地管理中心應用化工廠）

近年來，熱采井氮氣隔熱助排工藝成為一項新的稠油熱采技術，將油套環空注入的氮氣與油管環空注入蒸汽混合注入地層，既能較好地起到隔熱保護套管的作用，又能提高地層壓力、增強油水返排率、提高油井產量、提高開采效率[1–4]。出于油田開采的安全性和環保的需要，常采井均安裝有單流裝置以防止出現事故或者套管破損時污染環境，然而熱采井單流裝置無法耐高溫高壓。為防止出現此類異常情況，需要下入熱采保護封隔器，通過封隔器密封油套環空，防止井底壓力上涌[5–6]。目前國內缺乏適應注汽過程中間斷或連續氮氣注入封隔器，因此河南油田研制了一種耐高溫雙通道熱采封隔器。該封隔器既能耐高溫高壓，又能通過油套環空將氮氣從套管注入封隔器以下，并與油管內注入的蒸汽在地層附近接觸注入。當井下出現異常停注時，封隔器的注氮氣通道將關閉，防止井底壓力從油套環空傳至井口[7–8]。

1 耐高溫雙通道熱采封隔器設計

1.1 結構組成

該封隔器主要由解封機構、錨定機構、密封機構、坐封鎖緊機構、環空注氮單流機構等組成（圖1）。

圖1 雙通道熱采封隔器結構示意

（1）解封機構。解封機構由上接頭、解封銷釘、卡瓦座、中心管、內密封管組成。上接頭與中心管通過絲扣連接；卡瓦座與上接頭頂緊后，通過提解封銷釘限位連接。卡瓦座內部加工有凹槽，與內密封管上端分瓣鎖爪的凸臺配合；內密封管上端分瓣鎖

爪嵌入卡瓦座內部的凹槽內，并通過中心管外側的中心管凸臺貼緊固定內密封管。

（2）錨定機構。錨定機構由卡瓦座、卡瓦、箍簧、錐體組成。卡瓦座下端開有均布的斜向凹槽，卡瓦從內部插入卡瓦座下端的斜向凹槽內，并與卡瓦座的斜向凹槽貼合，一并套裝在內密封管上；箍簧卡在卡瓦上的凹槽內，箍緊卡瓦、椎體套裝在內密封管上，從下部貼緊錐體。

（3）密封機構。密封機構由密封件、外密封管、壓縮環組成。外密封管套裝在內密封管上，貼緊錐體；外密封管內部填充有耐高溫高壓密封材料。密封件套裝在外密封管外部；密封件為耐溫350℃、耐壓20 MPa的密封材料。壓縮環套裝在外密封外部，并頂緊密封件；壓縮環內部充填有耐高溫高壓密封材料。

（4）坐封鎖緊機構。坐封鎖緊機構由鎖環座、鎖環、鎖環壓帽、活塞鎖套、下接頭組成。鎖環座通過絲扣與內密封管連接；鎖環套裝在鎖環座上；鎖環壓帽通過絲扣與鎖環座連接，將鎖環限位在鎖環座上。下接頭通過絲扣與中心管連接；下接頭徑向上開有傳壓孔，軸向上開有單流孔；下接頭的加工有與傳壓通道連通的活塞缸。活塞鎖套套裝在下接頭的活塞缸內部，上端通過鎖環座與壓縮環之間；活塞鎖套內部充填有耐高溫高壓密封材料；活塞鎖套內部加工有齒狀鎖套扣。

（5）環空注氮單流機構。環空注氮單流機構由單流閥座、單流閥球、彈簧、彈簧罩組成。單流閥座與下接頭軸向上的單流孔通過絲扣連接；單流閥球、彈簧先后裝入單流閥座內部；彈簧罩通過絲扣與單流閥座連接；彈簧罩頂緊彈簧，彈簧壓縮頂緊單流閥球，單流閥球與單流閥座的球座形成線密封。

1.2 工藝原理

（1）座封錨定。管柱下到設計位置后，再通過油管打液壓，液壓通過下接頭徑向上的傳壓孔傳遞至活塞缸，推動活塞鎖套向上移動，活塞鎖套推動壓縮環、密封件、外密封管上行，并推動錐體楔入卡瓦，使卡瓦沿徑向向外撐開箍簧，并支撐套管。當卡瓦支撐套管后，密封件在活塞鎖套的推動下壓縮密封件，使密封件膨脹密封油套環空。在活塞鎖套上行的過程中鎖套扣與鎖環的螺紋齒逐步嚙合，鎖緊坐封機構。

（2）注熱流體和氮氣。當需要注汽時，蒸汽通過中心注汽通道直接注入。氮氣通過卡瓦套上部的過流進口進入，再通過內密封管的過流孔，進入內密封管和中心管形成的上過流環空。最后通過下接頭的單流孔進入推開單流閥球，從彈簧罩的過流出口再次進入油套環空，注入地層。

（3）承壓。當地面出現異常情況，井口閘門失效，油套環空壓力下降，雙通道封隔器密封，推動卡瓦錨定套管，封隔器密封套管，單流閥球在彈簧及地層壓力的作用下向上行，與單流閥座形成密封，關閉油套環空注氮氣通道，防止地層原油和污水上返至井口。

（4）解封。需要解封時，上提雙通道熱采封隔器，卡瓦座在卡瓦與套管的支撐力作用下，使解封銷釘受力剪斷，上接頭、中心管、下接頭整體上行，釋放內密封管前端的分瓣鎖爪，使其可以內收。在膠筒的回彈力和套管摩擦力作用下，推動壓縮環下行，壓縮環推動活塞鎖套下行。活塞鎖套與鎖環通過螺紋齒嚙合鎖緊，活塞鎖套帶動鎖環座、鎖環、鎖環壓帽、內密封管一同下行，釋放錐體下行，卡瓦內收。

1.3 技術指標

耐溫：330℃；耐壓差：21 MPa（承下壓）；注氮氣過流孔：2-φ15 mm；最大外徑：φ210 mm；最小內徑：φ76 mm；座封壓力：24～25 MPa；解封負荷：78～98 kN；連接扣型：31/2 EUTBG；適用套管內徑：φ216.8～224.4 mm。

1.4 結構特點

（1）座封機構。設計了液壓活塞座封機構和防遇阻銷釘、座封銷釘等，結構簡單、性能可靠，有效保證了密封器正常座封。

（2）鎖緊機構。設計為螺紋單向鎖緊機構，單方向移動，反方向鎖緊，結構緊湊，性能可靠，制造容易。

（3）防回彈機構。設計高彈性碟簧防回彈機構，降低封隔器座封泄壓后膠筒的回彈距離，提高密封效果。

（4）錨定機構。封隔器單向受力，因此采用單向卡瓦錐體錨定結構方式，共六片，成60°均勻分布，承壓時，下錐體上推卡瓦，將力轉移到套管上，實現單向錨定。

（5）主密封機構。以分散柔性石墨為主體、改性聚四氟乙烯膠套為保護套的組合密封件。充分利用了兩者的優點。

（6）氮氣通道密封。停注過程中，注氮氣通道需要解決單流密封和沿程密封問題，采用球形單流閥剛性密封方式，耐高溫、密封可靠；沿程密封采取填料石墨密封，能夠在高、低溫下密封。

（7）解封機構。內密封管通過指型爪凸臺嵌在卡瓦座內，指型爪凸臺通過中心管凸臺支撐，中心管和上接頭不動，膠筒、卡瓦無法釋放。上接頭和卡瓦座通過銷釘固定，解封銷釘限定解封力大小，解封銷釘在座封過程不受力。

（8）防腐。整套裝置選用防腐效果較好、耐350℃高溫的鎳磷鍍方法，防腐效果好。

2 試驗情況

2.1 室內常溫試驗

依據中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 6304–1997 《注蒸汽封隔器及井下補償器技術條件》及 SY/T 5106–1998 油氣田用封隔器通用技術條件標準，進行了地面性能試驗，并下入試驗井進行各種性能的試驗測試[9–10]，根據試驗數據得出以下結論：

（1）封隔器座封座卡動作靈活無卡阻，整體耐壓35 MPa，不滲不漏，鋼件不變形。

（2）座封力23～25 MPa，座封距94～97 mm；座卡銷釘剪斷力量3～4 MPa；

（3）封隔器錨定力超過1 050 kN，錨定可靠，達到設計指標要求。

（4）封隔器承受單向工作壓差達到32 MPa，密封性能可靠。

（5）解封性能可靠，解封力80–120 kN，可根據需要調整，達到設計指標要求。

2.2 高溫高壓試驗

（1）高溫試驗。對于雙通道熱采封隔器主要進行耐高溫性能及在高溫下的密封性能（密封膠筒承下壓差性能）試驗，檢驗經過高溫后降到室內溫度下密封是否仍然有效。通過試驗得出以下結論：①耐高溫332℃，耐壓21 MPa；② 經過高溫332℃后，回到室內溫度下，密封壓差達到21 MPa；③ 通過3次“高溫332℃–室內”，密封壓差達到21 MPa。

（2）單流閥的開啟力試驗和低溫下的密封試驗。對于耐高溫雙通道側孔單流閥，主要進行了地面單向承壓能力、開啟關閉靈活性、高低溫下密封性能試驗。通過試驗得出以下結論：① 開啟壓力小于0.1 MPa，鋼體及絲扣無損壞和變形，達到設計指標要求；② 單流閥開啟關閉靈活可靠，多次開啟關閉后密封耐壓35 MPa，達到設計指標要求。

2.3 打壓球座的開啟力試驗

對于打壓球座，主要進行了地面單向開啟壓力穩定性、開啟關閉靈活性試驗。通過試驗得出以下結論：

（1）開啟壓差24～26 MPa，鋼體及絲扣無損壞和變形，達到設計指標要求。

（2）打壓球座單流閥反向開啟壓力0.1 MPa，開啟關閉靈活可靠，達到設計指標要求。

3 現場應用情況

該封隔器在渤海一口9–5/8 in 熱采井應用，目前已經過了10輪次的蒸汽吞吐。2014年7月8日至 16日，注汽 3 626 t，注汽壓力 16.2～19 MPa。2015年8月11日至19日，注汽3 704 t，注汽壓力18.6～19 MPa。注汽后放套壓至5 MPa，驗證封隔器無漏失，達到了耐高溫高壓的性能要求。

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