液壓式大通徑丟手封隔器的研制與應用

宋輝輝， 賀啟強， 何程程

(1中石化勝利油田分公司石油工程技術研究院 2 中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

目前，勝利油田普遍進入特高含水期，開發難度逐年加大，而埕島油田綜合含水最低，年產量接近300×104t，其在油田占據的地位逐漸上升，成為勝利油田增產主陣地。埕島油田屬河流相砂巖油藏，儲層分布上呈現縱向層數多、層厚度薄的特征，平面儲層物性差、砂體變化多樣，屬高孔高滲疏松砂巖常規稠油。注水井井段長、油層跨度大，地層膠結疏松，非均質性突出、極易出砂。

開發此類油藏主要采用大通徑分層防砂分層注水一體化工藝技術。工藝實施過程中，先下防砂工藝管柱，然后坐封并打壓實現分層封隔器坐封、油管錨錨定，之后投球打壓實現丟手封隔器丟手，防砂工藝管柱保留在井筒內。其中，丟手封隔器的性能會直接影響防砂效果、施工成功率以及下一步的注水工藝。由于丟手封隔器采用投球打壓坐封，當井斜較大時，導致投球不到位，或者井內環境較臟時，球座上的雜質和球不能密封。這兩者都會導致不能正常丟手，嚴重影響了一次施工成功率，增加了作業成本。同時，留井內的懸掛封隔器的小直徑限制了后期注水工藝的施展[1-5]。

為解決此類問題并提高工藝實施成功率，開展了液壓式大通徑丟手封隔器的研制，經室內試驗和現場120井次的成功應用表明，改進后坐封力大幅降低，丟手操作簡單、可靠，應用效果良好。

一、液壓式大通徑丟手封隔器結構

液壓式大通徑封隔器結構如圖1所示，主要由坐封、錨定、丟手及解封4大部分組成。坐封部分由防轉套、坐封活塞、安全鎖塊、下活塞等組成，錨定由卡瓦、卡瓦套組成，丟手部分由丟手中心管、丟手棘爪、滑套和丟手套組成，解封部分由支撐體、解封中心管和解封棘爪組成。

圖1 大通徑丟手封隔器結構示意圖

鋼體最大外徑152 mm，內通徑62 mm，坐封壓力5～7 MPa，工作壓差20～22 MPa ，兩端連接螺紋2-7/8NU，適用于套管內徑139 mm。

二、工作原理

1. 懸掛坐封

壓力液通過進液口進入坐封活塞內推動坐封活塞和下活塞向上移動，坐封活塞移動一段距離后與安全鎖塊脫離，安全鎖塊釋放，壓力液就對下活塞開始加載，下活塞向下移動帶動上椎體向外擠壓卡瓦，卡瓦從卡瓦套出來錨定在套管壁上，實現懸掛，繼續打壓，坐封活塞向上頂鎖套，鎖套與壓環之間的坐封剪釘受力剪斷，鎖套向上擠壓膠筒，實現坐封。

2. 錨定

卡瓦從卡瓦套出來并錨定在套管管壁，實現卡瓦牙卡在套管管壁，依靠鎖緊機構保持卡瓦不回縮。

3. 丟手

壓力液從通孔進入丟手活塞內，推動丟手活塞和丟手連接體向下移動，同時丟手連接體帶動定位銷在丟手撐套上的軌道槽移動，當壓力液持續增加，將丟手剪釘剪斷，丟手活塞帶動丟手連接體和丟手支撐套一同向下運動，實現丟手。

4. 解封

下入打撈工具，打撈工具進入打撈頭以后，上提管柱，帶動外中心管、下接頭向上運動，達到一定上提力時，解封剪釘剪斷，丟手部分及膠筒坐封部分整體下移，隨之實現卡瓦收回，膠筒解封。

5. 技術特點

(1)通過地面打壓控制活塞運動，免去投球程序。

(2)將丟手連接體與丟手連接套分開設計，兩者之間形成一個“空行程”，將剪斷丟手連接體剪釘的力和從棘爪上拉出丟手連接體的力分開，大大降低了丟手壓力，而且丟手更加可靠。

(3)丟手采用液力打壓，適于大斜度井。

(4)膠筒與“O”型圈采用復合耐高溫耐磨材料，適于高溫高壓井應用。

(5)打撈工具連接打撈頭上提，即可實現膠筒解封和卡瓦收回。

(6)丟手之后大通徑便于后序作業。

三、室內試驗

該丟手封隔器設計完成后進行了樣機試制，在模擬井開展了耐溫、耐壓、密封性等指標的室內試驗[6]，試驗步驟如下：在150℃的模擬井溫條件下，進行打壓坐封及中心管保壓條件下的打壓試驗，測定坐封銷釘的剪斷壓力，驗證封隔器的密封性能；丟手后，進行管柱解封試驗，驗證封隔器是否可以靈活解封，測定解封力；如果解封成功，繼續重復坐封試驗，驗證封隔器的二次坐封及密封性，下入打撈工具，驗證封隔器的二次解封能力。

試驗結果數據如表1所示。為了進一步驗證封隔器的可靠性，重復進行了3次上述實驗，試驗證明封隔器各項性能穩定可靠，滿足現場試驗要求。

表1 大通徑丟手封隔器性能指標

四、仿真分析

液壓式大通徑丟手封隔器在坐封、丟手、解封過程中承受較大載荷，為此，選取系統關鍵環節的中心管和坐封活塞進行了有限元受力分析，如圖2和圖3所示。

圖2 中心管有限元分析結果

圖3 坐封活塞有限元分析結果

中心管和坐封活塞材料分別為45號鋼，材料許用應力353 MPa，其中中心管在外載荷15 MPa時,最大應力發生在中心管為257.7 MPa，最大應變發生在中心管上端為14.7 mm，最小安全系數為1.37；坐封活塞在載荷15 MPa時，最大應力發生在活塞密封圈槽處為26.3 MPa,最大應變發生在坐封活塞內側與中心管接觸臺階面處為0.74 mm，最小安全系數為13.4，仿真結果表明中心管和坐封活塞均滿足強度要求。

五、現場應用

在室內試驗成功的基礎上，為更好的驗證液壓式大通徑丟手封隔器的可靠性，截至2018年12月，已經在勝利海上油田應用120口井，丟手壓力穩定，基本在18～20 MPa之間，施工成功率100%，最大井斜74.18°，解決了海上油田大斜度井或者井壁不干凈造成的丟手較難的問題，同時，使用該類封隔器的施工時間由6 h縮短至1 h，大大降低了海上施工成本。該封隔器技術現場實施情況如表2所示。

表2 技術服務井史資料

六、結論

(1)為實現海上水井長效可靠注水工作需求，研制了大通徑丟手懸掛封隔器，滿足油水井防砂、卡封、注水等工藝的頂部懸掛作業。

(2)液壓式大通徑丟手封隔器實現了免投球坐封、錨定及丟手，降低作業風險，縮短施工周期，有效節省施工成本。

(3)室內試驗、仿真分析及現場應用表明，該丟手封隔器坐封、解封及丟手設計可行，工具工作性能可靠穩定，具有很好的市場應用前景。