2. 中国石油大学(华东)
2. China University of Petroleum (Huadong)
0 引言
智能完井技术通过管缆实现地面对井下油气层的生产控制，现有的顶部封隔器在其中心管管壁上设计垂线管缆穿越孔，在石油开采智能完井技术中发挥了作用，但其同时存在以下缺点或不足[1-8]：①因为顶部封隔器要穿越管缆，导致封隔器内通径变小，后续作业工具下入困难；②如果要增大内通径，封隔器径向壁厚会减小，自锁机构设计难度增大，无法提供较大的自锁力；③为降低管缆穿越难度，还应尽量缩短封隔器本体的设计长度；④耐压等级不高，当胶筒下方的压力过高时，可能导致封隔器解封，在压力等级较高的环境下，需要装配锚瓦才能保证工具的安全性。
针对上述问题，研制开发了新型智能井顶部封隔器。该封隔器的中心管管壁上设有垂线管缆穿越孔，中部设有传压孔以及由限位套、锁紧套、锁环、弹簧和压帽构成的自锁机构，可有效克服或避免现有技术存在的缺陷。
1 技术分析 1.1 结构智能井顶部封隔器是一种双向卡瓦锚定、液压工具坐封、液压解封的压缩式封隔器，其结构如图 1所示。中心管上部与上接头相连接，下部与下接头相连接，中心管外顺次连接安装有卡瓦罩、压簧、卡瓦、锥体、调节环、胶筒、活塞、锁紧套和压帽，活塞下压帽内安装有隔压套、限位套、释放套、锁环和弹簧，隔压套上安装有悬挂环，隔压套下、限位套上安装锁块，限位套上安装有限位环，限位套外、锁紧套内和下压帽上安装有锁环和弹簧，中心管的壁上设有管缆穿越孔。
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| 图 1 智能井顶部封隔器结构示意图 Fig.1 Schematic of top packer for intelligent well 1—上接头；2—中心管；3—卡瓦罩；4—压簧；5—卡瓦；6—安全销钉；7—锥体；8—调节环；9—胶筒；10—活塞；11—悬挂环；12—隔压套；13—限位环；14—释放套；15—锁块；16—限位套；17—锁紧套；18—锁环；19—弹簧；20—压帽；21—解封销钉；22—下接头。 |
1.2 工作原理
智能井顶部封隔器连接到施工管柱上，下入到油井的预定位置，然后对施工管柱正加压，水流通过传压孔流入活塞、锁紧套、隔压套和中心管构成的密封空间，推动活塞上行，推力通过胶筒传递到锥体上，当压力达到设定数值时，安全销钉剪断，锥体上行，推动卡瓦向外部张开，固定在套管上，同时胶筒受挤压并向外膨胀，将胶筒的上、下两侧封隔开。活塞上行的同时带动锁紧套、锁环、弹簧和压帽上行，并通过自锁功能防止活塞下行。这样，封隔器完成坐封。
由于液压管线或电缆穿过中心管的管缆穿越孔连接下部工具，在地面可以对封隔器下面的工具实施操控而不影响封隔器封隔油层的功能；其中一个管缆穿越孔与封隔器中的解封传压孔相连，下端连接丝堵。当封隔器需要解封时，水流通过管缆穿越孔与解封传压孔流入由隔压套、释放套和限位套构成的密封空间，推动释放套下行，使锁块从中心轴上释放；当压力达到设定数值时，解封销钉被剪断，限位套下行，中心管外部的所有部件向下移动，卡瓦在压簧的作用下收回，胶筒恢复自由状态，中心管外部的部件通过悬挂环悬挂在中心管上，封隔器完成解封。
1.3 主要技术特点(1) 自锁机构经过优化，采用锁环均分6瓣径向自锁和波形簧跟进的方式，实现窄小空间自锁机构的设计，并能提供较大的自锁力；
(2) 自锁机构采用波形簧，大大缩短了工具的长度，同时降低了管缆穿越的难度；
(3) 能保持较大的内通径；
(4) 上接头和中心管相连接的螺纹为金属密封扣，壁厚远小于管螺纹的壁厚，但强度很高并且能够密封，可最大限度地增大工具的内通径；
(5) 优化了解封机构。即使封隔器胶筒下方的压力过高，解封销钉依然不会承受剪切力，封隔器只能通过液压来解封。
1.4 技术参数适用套管外径：177.8mm(7 in)；
刚体最大外径/最小内径：154.5/74.0mm；
总长：621.0mm；
坐封压力：20 MPa；
工作温度：≤170 ℃；
上端螺纹：Φ88.9mm(3 1/2 in)TBG；
控制管线直径：9.5mm( 3/8 in)；
穿越孔数量：6。
2 结构设计及特点限位套、锁紧套、锁环、弹簧和压帽构成自锁机构。在外径一定的情况下，若要保证较大通径，则各部件的厚度要减小，导致安装锁环和弹簧的空间减小。如果用常用的圆柱螺旋弹簧，截径很小而外径很大，并且自由高度一般在150 mm以上，这种弹簧所能提供的弹力非常小，并且需要的装配空间比较大，不能满足工具的需要。
弹簧采用波形簧，自由高度为7 mm，线径为3.5mm。这种弹簧需要的装配空间比较小，所能提供的弹力比较大，适合窄小空间中自锁机构的设计，而且大大缩短了工具的长度。锁环均分为6瓣，这样就不需要再考虑其扩张力的大小，行进也比较容易，并且避免了因需要调节锁环的扩张力而进行多次热处理。
3 室内试验及分析 3.1 坐封性能试验将封隔器安装试压接头和丝堵后放入试验套管中，主孔分阶段加压至20 MPa(稳压)→25 MPa(稳压)→28 MPa(稳压)→30 MPa(稳压)，稳压时间均为5 min，观察压力表是否有压降。
泄压后测量回弹距离，并记录有效坐封距离，如表 1所示。
| 试验次数 | 试验压力/MPa | 坐封距离/mm | 回弹距离/mm |
| 1 | 28.7 | 70.0 | 0.5 |
| 2 | 29.3 | 71.3 | 1.0 |
| 3 | 30.1 | 73.0 | 0.8 |
由表 1可以看出，加压至30 MPa稳压，坐封距离为73.0 mm；泄压后测量回弹距离为0.8 mm，则可计算出有效坐封距离为72.2 mm。
3.2 悬挂力试验封隔器完全坐封后，将坐封的封隔器下端连接到FRD-JF600 kN拉力机上，测试封隔器的悬挂能力。试验中的悬挂力分别为300、400和480 kN时，封隔器未移动；当悬挂力为490 kN时，封隔器有移动趋势。再固定套管，回调悬挂力至480 kN时，封隔器未移动。
3.3 解封力试验将已坐封的封隔器上的解封专用管缆穿越孔安装试压接头和丝堵，解封传压孔分阶段加压16 MPa，观察压力表是否有压降，记录封隔器解封力。由试验结果可知，解封压力为16 MPa，满足设计要求。
综上所述，智能井顶部封隔器在30 MPa压力下，有效坐封距离为72.2mm；封隔器的悬挂力为480 kN，解封压力为16 MPa，能够满足深海智能井的开采要求。
4 结 论(1) 智能井顶部封隔器采用锁环均分6瓣径向自锁和波形簧跟进的方式，实现窄小空间自锁机构的设计，并能提供较大的自锁力。自锁机构采用波形簧，大大缩短了工具的长度，同时降低了管缆穿越的难度。
(2) 该封隔器是一种双向卡瓦锚定、液压工具坐封、液压解封的压缩式封隔器，即使封隔器胶筒下方的压力过高，解封销钉依然不会承受剪切力，封隔器只能通过液压来解封。
(3) 室内试验结果表明，该封隔器在30 MPa压力下，有效坐封距离为72.2mm；封隔器的悬挂力为480 kN，解封压力为16 MPa，能够满足深海智能井的开采要求。
| [1] | 朱晓荣. 封隔器设计基础. 北京:中国石化出版社[M]. 2012 |
| [2] | 阮臣良, 朱和明, 冯丽莹. 国外智能完井技术介绍[J]. 石油机械, 2011, 39 (3) : 82–84 . |
| [3] | 王玲玲, 肖国华, 陈雷, 等. JDY455可取式多用途丢手封隔器的研制[J]. 石油机械, 2015, 43 (10) : 93–95 . |
| [4] | 肖述琴, 陈军斌, 屈展. 智能完井综合系统[J]. 西安石油大学学报(自然科学版), 2004, 19 (2) : 37–40 . |
| [5] | 王兆会, 曲从锋, 袁进平. 智能完井系统的关键技术分析[J]. 石油钻采工艺, 2009, 31 (5) : 1–4 . |
| [6] | 王兆会, 曲从锋. 遇油气膨胀封隔器在智能完井系统中的应用[J]. 石油机械, 2009, 37 (8) : 96–98 . |
| [7] | 刘均荣, 姚军, 张凯. 智能井技术现状与展望[J]. 油气地质与采收率, 2007, 14 (6) : 107–110 . |
| [8] | 姚军, 刘均荣, 张凯. 国外智能井技术. 北京:石油工业出版社[M]. 2011 : 1 -7. |