海上油田注水井擴張式封隔器性能評價研究

李良慶， 郭雯霖， 婁超， 張洪楠， 陳磊， 李英松， 時營磊

（1.中海油田服務股份有限公司，天津300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 工程技術作業中心，天津300459）

0 引言

當前隨著油田開采難度的增加，采油技術隨之快速更新發展。擴張式封隔器在分層注水工藝中是一類大量應用的井下工具[1-2]。但封隔器所處的惡劣環境導致了封隔器服役期普遍較短[3-4]。對擴張式封隔器的結構改進及性能提升是近年來諸多單位研究的重點，在產品投入使用前需要對其各項技術指標進行室內試驗[5-8]。針對完井工具的井下模擬試驗裝置可以很好地指導產品設計[9]，已經成功應用在隨鉆測量儀、井下耐溫膠筒等井下工具的研制中[10]。

建立一套海上油田注水井擴張式封隔器的性能評價方法具有其必要性。根據行業標準與工程經驗對擴張式封隔器的環空密封性能、膠筒疲勞性能、防蠕動性能等細分性能參數進行科學評判。不但可對產品的綜合性能進行定性也可對后續改進提供定量參考[11]。

本文對測試工具研制及評價方法建立進行了系統闡述。首先進行了擴張式封隔器測試工具的設計，該工具可通過各注壓接口的開閉組合達到各項參數指標的試驗。其次對測試壓力曲線特征進行了解釋。最后根據行業標準對擴張式封隔器的技術要求進行總結，并提出了一套性能評價方法。

1 測試工具總體設計

1.1 測試需求分析

針對于封隔器的特性，在其研制過程中需要進行封隔器的坐封與解封性能測試、膠桶疲勞測試、環空密封性能測試等。

根據封隔器測試要求，測試工具需要提供井筒模擬環境，封隔器中心管注壓、保壓功能，井筒環空注壓、保壓，以及軸向密封加載等功能。

1.2 試驗工裝研制

針對以上測試需求，項目組設計了多功能封隔器測試工具。如圖1所示，測試工具主要由套管、端蓋、背帽、背環及堵頭等構成，在主體上設有坐封絲堵、排氣口等接頭。

試驗中由套管與工具上、下密封配合提供井筒內環境。1號試壓泵連接封隔器中心管注壓通道；2號與3號試壓泵連接環空注壓通道，分別提供了兩個注壓方向。在軸向加載測試中通過背帽與背環調節被測工具的軸向位移。

2 評價指標

根據石油天然氣鉆采設備封隔器規范SY/T 5106-2019中對注水井擴張式封隔器的規定，同時結合行業應用經驗提出擴張式封隔器評判指標如下：1）封隔器本體驗漏。驗漏測試中產品內注壓后保持15 min無明顯滲漏。2）坐封與解封性能。坐封與解封測試重復15次，每輪坐封穩壓20 min。壓力值應在設計值±10%區間內。3）膠筒抗疲勞性能。膠筒抗疲勞性能需對封隔器重復15次坐封與解封過程，公稱直徑為90～115 mm時膠筒殘余變形不大于3%，公稱直徑為140～185 mm時膠筒殘余變形不大于4%。外觀檢查中無脫層、分層及雜質氣泡等缺陷。4）環空密封性能。密封性能測試中向封隔器坐封后環空注壓并保持15 min且壓降小于1%，可認定為合格。

3 性能測試及結果評價

3.1 被測對象

被測擴張式封隔器結構如圖2所示，主要由中心管、活塞、膠桶組件、自鎖機構、解封機構等組成。

坐封時中心管壓力由注壓孔進入膠桶內，自鎖機構作用后對膠桶保壓完成封隔器坐封。解封時壓力由封隔器外部泄壓孔導入推動活塞時解封機構作用，完成封隔器解封。測試開始前需根據第2節中的“評判指標1）”展開驗漏測試，封隔器注壓保持15 min后無明顯滲漏，結果符合驗漏標準。

圖2 擴張式封隔器結構示意圖

圖3 擴張式封隔器測試工具

3.2 坐封與解封測試

1）將被測擴張式封隔器裝入測試工具，經中心管注壓。分別測試150、500、1000 psi時坐封壓力，到達目標壓力后保壓20 min并記錄壓力數據。得到如圖4所示的坐封壓力曲線。重復以上過程15次，經結果分析保壓過程中壓降小于10%，坐封性能符合評判標準。

2）對擴張式封隔器進行解封測試繪制成解封壓力分布散點圖。由圖5可知，在15次測試中不同坐封壓力下的解封壓力數值均落在規定數值區間內。解封性能符合評判標準。

圖4 坐封壓力曲線

圖5 解封壓力測試

3.3 膠筒疲勞測試

經過15輪次坐封與解封測試后取出封隔器膠桶，檢查膠桶外觀并測量膠筒外形尺寸。膠桶外形尺寸如表1中所示，外觀符合評判指標的要求。由試驗結果分析可知，封隔器符合測試評判標準。

3.4 環空密封測試

表1 膠桶疲勞測試數據

對封隔器在150 、500、1000 psi 三 組坐封壓力下環空密封性能測試步驟如下：

1）首先測試不同坐封壓力下極限環空密封壓力：對坐封后環空梯度注壓，在出現明顯壓降后取壓降前最大壓力作為極限環空密封壓力。

2）對不同坐封壓力下的環空注入對應的極限環空密封壓力，穩壓15 min后記錄環空壓力，圖6為測試中不同坐封壓力下的環空密封壓力。其壓降數值小于初始壓力值1%，環空密封性能符合評判標準。

圖6 環空密封測試壓力

4 結論

1）對擴張式封隔器在注水井應用中的特性進行了分析，坐封與解封性能、膠筒抗疲勞性能、封隔器環空密封性能決定封隔器整體工作性能的關鍵參數。并研制了可對以上參數進行測定的測試工具。

2）針對擴張式封隔器設計了完整測試流程，根據行業標準與工程經驗制定了各項測試內容的評價標準。

3）對一款改進后的擴張式封隔器展開了試驗，通過該評價試驗的封隔器已成功應用于渤海油田50口井次，成功率為100%,平均有效期為36個月，證明了該方法具有可靠性。