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双密封套管保护封隔器的研制与应用
毕福伟1,2, 于九政1,2, 刘延青1,2, 杨玲智1,2     
1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室;
2. 长庆油田分公司油气工艺研究院
摘要: 为了解决分注井套管保护封隔器有效期短、套管长时间承压及腐蚀等问题,研发了双密封套管保护封隔器。该封隔器增加了承压胶筒、扶正装置和复位弹簧,有效阻隔了注水压力波动对密封胶筒的破坏,并降低了管柱蠕动。双密封套管保护封隔器在现场实施5口井,最大井深2 371 m,最大井斜30.57°,注水压力17.5 MPa,持续跟踪现场测试24个月,有效密封率达100%,并继续有效。现场应用结果表明:双密封套管保护封隔器可大幅提升密封性能,延长分注管柱的使用寿命。
关键词: 套管保护     封隔器     双密封     分层注水     注水压力     管柱蠕动    
Development and Application of Dual-seal Packer with Casing Protection
Bi Fuwei1,2, Yu Jiuzheng1,2, Liu Yanqing1,2, Yang Lingzhi1,2     
1. National Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development;
2. Oil & Gas Technology Research Institute of Changqing Oilfield Company, CNPC
Abstract: In order to address the issues like short life-span, long-time pressure-bearing and corrosion of packer with casing protection for separate layer water injection well, the dual-seal packer with casing protection has been developed.The packer adds the pressure bearing rubber sleeve, centralizing device and reset spring, which could effectively eliminate the damage on the seal rubber sleeve by the water pressure fluctuations and reduce the string creep.The dual-seal packer with casing protection has been applied in five wells in the Block Jiyuan in Changqing Oilfield with the maximum well depth of 2 371 m, the maximum well inclination of 30.57°, and the water injection pressure of 17.5 MPa.Continuous field test of 24 months showed that the effective sealing rate is 100% and continue to be valid.The application results show that the packer could greatly improve the sealing performance and prolong the service life of the separate layer water injection string.
Key words: casing protection     packer     dual seal     separate layer water injection     water injection pressure     string creep    

0 引言

套管保护封隔器是分注管柱注水层之上的第一级封隔器,具有减轻套管腐蚀和降低套管承压的作用[1]

目前,常规封隔器存在以下问题:①  受到注水压力波动和反洗井等工况影响,造成管柱伸长或缩短,套管保护封隔器受此影响更容易解封;②  封隔器没有扶正功能,在井斜和重力作用下,封隔器坐封后胶筒受力不均,密封性能下降而容易失效;③  套管保护封隔器上面无注水层,注水压力的脉冲交变应力与管柱蠕动叠加,导致套管保护封隔器更容易失效,影响分注效果,缩短了分注管柱的使用寿命;④  现有的常规封隔器均采用防突设计和提高密封胶筒的材质,不能有效解决大斜度井和注水压力波动的影响[2-5]

为此,笔者对封隔器的结构进行重新设计,研制了双密封套管保护封隔器。该封隔器可大幅提升密封性能,延长分注管柱的使用寿命[6-10]

1 技术分析 1.1 结构

双密封套管保护封隔器主要是由上接头、中心筒、外筒、洗井活塞、复位弹簧、扶正球、密封胶筒、承压胶筒、推进活塞、压筒和下接头等组成,其结构如图 1所示。

图 1 双密封套管保护封隔器结构图 Fig.1 Structural schematic of the dual-seal packer with casing protection 1-上接头;2-复位弹簧;3-外筒;4-洗井活塞;5-扶正球;6-坐封头;7-密封胶筒;8-推进套;9-承压胶筒;10-中心管;11-推进活塞;12-压筒;13-下接头

1.2 工作原理

双密封套管保护封隔器随分注管柱下入井内,下到预定位置后,高压流体经中心管下部的导压孔推动推进活塞上移,密封胶筒压缩实现坐封,同时承压胶筒脱离压筒,自行弹开,形似倒喇叭口,支撑在套管壁上,屏蔽封隔器下部注水压力波动,由于套保封隔器上部没有注水层,所以对密封胶筒起到很好的保护;扶正钢球突出本体外,支撑在套管壁上,使封隔器居中,在实现双密封功能的同时延长分注管柱的使用寿命。

1.3 主要技术参数

双密封套管保护封隔器总长1 415 mm,最大外径114 mm,最小内径50 mm,工作压力30 MPa,坐封压力15 MPa,解封载荷50~70 kN,适用套管外径139 mm。承压胶筒长84 mm,最大外径113 mm,脱离压筒后自然扩张外径可达128 mm,有4 mm的过盈量。

1.4 创新点

(1) 增加承压胶筒装置。封隔器坐封后,承压胶筒上移,脱离压筒,靠胶筒自身的弹性张开,形似倒喇叭口,支撑在套管壁上,阻隔注水压力波动对密封胶筒的破坏,大幅提升套管保护封隔器的密封性能。

(2) 增加扶正装置。坐封后4个扶正球突出封隔器本体,支撑在套管壁上,使封隔器居中,密封胶筒四周受力均匀,并降低管柱蠕动。

(3) 增加复位弹簧。复位弹簧可使洗井活塞保持常关状态。

2 室内试验

封隔器试验装置包括试验工装、试压泵、封隔器、连接软管、压力表、堵头和压钳等,其结构如图 2所示。

图 2 封隔器试验装置图 Fig.2 Schematic of the packer test device

2.1 坐封性能检测

将封隔器置于试验装置内,试压泵加内压8、12和15 MPa,各稳压5 min,升压至15 MPa,完成坐封,测得封隔器坐封启动压力5~7 MPa。封隔器坐封后,加下压观察胶筒密封情况。按5、10、15、20、25和30 MPa等台阶加压,稳压5 min。检测结果表明:各压力段下套压没有变化,封隔器胶筒密封良好,同时扶正球突出本体外,起到了支撑作用,各指标达到设计要求。

2.2 承压胶筒性能检测

封隔器坐封后,承压胶筒弹出,试压泵加外下压1、2、5、10、20、30和40 MPa压力点,各稳压5 min,验证承压胶筒密封性能,反复5次。经反复测试,承压胶筒最低耐压为1.5 MPa,最高耐压为45 MPa,当压力低于1.5 MPa时,其4 mm的过盈配合不足以形成有效密封。检测结果表明:在正常注水时,该封隔器可有效阻隔注水压力波动对密封胶筒的破坏。

2.3 反洗井性能检测

承压胶筒性能试验完成后,试压泵加外上压,泵入清水进行大排量反洗井,测试其启动泵压和最大排量,经反复测试,反洗活塞开启压力为1.2 MPa,反洗排量可达600 L/min,反洗井通道不限流。反洗井活塞在停泵后可以自动复位关闭。

2.4 解封性能检测

连接封隔器与标准套管等结构组成管柱并下入模拟井内,装好井口,地面连接试验泵,管柱内加压,封隔器坐封后,用拉伸液缸上提管柱,测得解封销钉剪切力为25 kN,解封载荷为60 kN。这说明解封力达到设计要求。

3 现场应用

双密封套管保护封隔器在现场共实施5口井,其中最大井深2 371 m,最大井斜30.57°,注水压力17.5 MPa,持续跟踪现场测试24个月,有效密封率达100%,并继续有效。具体应用情况如表 1所示。

表 1 现场应用情况 Table 1 Field application
井号 最大井斜/(°) 油压/MPa 套压/MPa 井口泄压后数据变化情况 密封状况
套压变化 水量变化
G5-10 17.60 15.5 14.5 套压降为0 泄压后,水量降至0 密封
G9-22 30.57 11.0 10.5 套压降为0 泄压后,水量降至0 密封
G5-23 16.83 6.0 5.5 套压降为0 泄压后,水量减少 密封
G7-05 30.20 13.0 13.0 套压降为0 泄压15 min,套压降至0,水量逐渐减少 密封
G5-12 13.60 17.5 17.2 套压降为0 水量瞬间变为0 密封

4 结论

(1) 双密封套管保护封隔器设计了承压胶筒装置,有效阻隔了注水压力波动对密封胶筒的破坏,大幅提高了封隔器的密封性能;

(2) 该封隔器优化了扶正装置,坐封后4个扶正球支撑在套管壁上,使封隔器居中,密封胶筒四周受力均匀,降低了管柱蠕动;

(3) 现场应用结果表明:双密封套管保护封隔器可实现双密封功能,有效降低井斜、注水压力波动和管柱蠕动等因素对密封性的影响,大幅提高其密封性能,延长分注管柱的使用寿命。

参考文献
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[5] 吴奇.井下作业工程师手册[J].北京:中国石化出版社, 2002:389-392.
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[10] 张卫国, 张亚昌, 张德彪, 等. 双胶筒封隔器胶筒密封性能分析[J]. 石油机械, 2010, 38(11): 51–53.

文章信息

毕福伟, 于九政, 刘延青, 杨玲智
Bi Fuwei, Yu Jiuzheng, Liu Yanqing, Yang Lingzhi
双密封套管保护封隔器的研制与应用
Development and Application of Dual-seal Packer with Casing Protection
石油机械, 2017, 45(02): 93-95
China Petroleum Machinery, 2017, 45(02): 93-95.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.02.021

文章历史

收稿日期: 2016-09-12

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