0 引言
CO2驱油技术作为一种有效的提高采收率方法，先后在大庆、胜利、江苏、吉林和冀东等油田得到广泛应用。由于CO2气体的特殊性，对气驱封隔器要求较高。现有用于气驱的封隔器种类多样，应用中发现Y341封隔器因无锚定机构，普遍存在管柱易移动和承压不足的问题；丢手式注气管柱常用Y445封隔器，易出现封隔器坐封不良和丢手工具丢不开的现象；Y221封隔器存在注下层时，管柱易上窜问题；Y441封隔器则存在解卡困难和易造成大修等问题[1-7]。
为了解决气驱封隔器气密封性能缺陷和管柱解卡打捞等难题，中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院成功研制了CO2气驱封隔器。该封隔器采用旋转油管坐封，上提管柱解封，工作压差50 MPa，工作温度150 ℃，密封和锚定安全可靠；水力锚位于封隔器顶部，可有效锚定井下管柱位置、阻止管柱轴向跳动；选用氟橡胶作为密封件，克服了注气过程温度低及停注后温度升高对密封件的影响；钢体采用不锈钢防腐材料，克服了注气过程CO2气体对封隔器的腐蚀。CO2气驱封隔器还可用于试油、采油、压裂和注水等管柱中，应用领域广泛。
1 技术分析 1.1 结构CO2气驱封隔器主要由水力锚定部分、密封部分、卡瓦锚定部分和扶正导向部分组成，其结构示意图如图 1所示[8-11]。水力锚定部分主要由锚体、衬管、沉头螺钉、压板、密封圈、弹簧和锚爪组成；密封部分主要由多个胶筒、隔环和胶筒保护机构组成；卡瓦锚定部分主要由锥体和卡瓦组成；扶正导向部分主要由扶正座、扶正块、大小弹簧、扶正套、换向销钉和轨迹套组成。
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| 图 1 CO2气驱封隔器结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the packer for CO2 flooding 1—衬管；2—沉头螺钉；3—压板；4—密封圈；5—弹簧；6—锚爪；7—锚体；8—中心管；9—分瓣保护座；10—箍环；11—锥环；12—保护碗；13—端胶筒；14—隔环；15—中胶筒；16—下保护座套；17—锥体；18—坐封销钉；19—卡瓦；20—扶正弹簧；21—卡瓦座；22—锁紧销钉；23—扶正座；24—扶正块；25—小弹簧；26—大弹簧；27—扶正套；28—换向销钉；29—轨迹套；30—下接头。 |
1.2 工作原理
将CO2气驱封隔器下到预定位置，按所需坐封高度上提管柱，然后正转油管柱并下放管柱100~200 kN，扶正块在套管的摩擦力作用下静止不动，此时换向机构换向，扶正器被弹簧撑开卡在套管内壁上。继续下放管柱，上接头带动中心管继续下行，上接头推动胶筒压缩的同时，推动锥体撑开卡瓦，用管柱重力压缩胶筒使封隔器坐封。注气时，在油管内外压差作用下，上锚定机构弹簧撑开锚爪，起到锚定油管作用。泄掉油管内部压力，上锚定部分锚爪在弹簧力作用下缩回，上提管柱，上接头和中心管一起上行，胶筒即可收回，继续上提管柱，锥体上行，下锚定部分卡瓦收回解卡，与此同时，胶筒依靠自身弹力继续径向收缩完成解封。
1.3 技术特点(1) 上部水力锚一体设计，有效防止管柱蠕动，确保注气作业正常进行；全周向胶筒端部保护装置最大限度地保护胶筒，提高了密封的可靠性。
(2) 封隔器结构简单，机械方式坐封，方便可靠；强度高，坐封力均匀，承上压50 MPa。
(3) 刚体采用不锈钢防腐材料，防腐性能好，满足CO2注气需要；优选氟橡胶作为密封件，克服了注气与停注后温差的影响，气密封性好。
1.4 主要技术参数最大外径110 mm，内通径50 mm，工作温度-40~150 ℃，耐压50 MPa，解封力＜20 kN，最大锚定力800 kN。
2 关键结构设计 2.1 胶筒保护机构胶筒部分是CO2气驱封隔器的关键部分。设计胶筒保护机构能有效保护胶筒，防止胶筒在下井和坐封过程受损，同时能减少频繁温度变化对胶筒造成的影响。胶筒保护机构的结构如图 2所示。分瓣保护座由箍环箍在一起，可实现分瓣保护座同步张开和回收；坐封封隔器胶筒时，管柱下压，锥体撑开弹性箍环，分瓣保护座内径增大离开中心管与锚体端部配合。同时，全周向保护碗撑开，对胶筒起到保护作用。
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| 图 2 胶筒保护机构示意图 Fig.2 Schematic diagram of rubber protection mechanism 1—分瓣保护座；2—箍环；3—锥环；4—保护碗；5—端胶筒。 |
2.2 扶正导向机构
扶正导向机构的结构示意图如图 3所示。扶正块在弹簧的作用下与套管壁间有一摩擦力，保证了油管旋转时轨迹套不随之转动，从而使换向销钉从轨迹套脱出。随着锥体下行，卡瓦被锥体撑开卡在套管内壁上，继续下行，用管柱重力压缩胶筒完成封隔器的坐封。
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| 图 3 扶正导向机构示意图 Fig.3 Schematic diagram of centralizing guide mechanism 1—扶正座；2—扶正块；3—小弹簧；4—大弹簧；5—扶正套；6—换向销钉；7—轨迹套。 |
3 现场试验
CO2气驱封隔器在冀东油田LB1-16等井开展现场试验6井次，施工成功率100%，最大施工井斜52°，封隔器最大下深2643.79m，最大注气压力23.12 MPa，密封有效率达100%，且平均工作寿命均超过24个月。
以LB1-16井为例，该井应用CO2气驱封隔器之前采用Y441封隔器，注气5个月后Y441封隔器密封失效，后对该井采取起管作业，发现Y441封隔器解卡困难，极易造成大修。采用CO2气驱封隔器之后，油压15.6 MPa，套压0.0 MPa，日注气量50 m3，工作状态良好，后因检管起出，CO2气驱封隔器的有效期达780 d。
LB1-28井应用CO2气驱封隔器之前采用Y445插管封隔器，应用中发现Y445插管封隔器加压丢手困难，加压丢手压力高达35 MPa，同时入井9 d后套压升高，封隔器密封失效。后起出管柱重新下入CO2气驱封隔器，应用之后该井油压23.12 MPa，套压0.2 MPa，日注气量44 t，封隔器有效期1 104 d。
现场试验结果表明：CO2气驱封隔器满足油田防腐和防气窜工艺要求，主要技术参数满足设计要求，在解决气驱封隔器技术难题的同时，受效井达12口，累计增油2.5万t，具有良好的经济和社会效益。
4 结 论(1) CO2气驱封隔器采用旋转油管坐封、上提解封的方式，操作简单，安全可靠。
(2) 该封隔器的胶筒优选氟橡胶并设计了全周向无间隙保护机构，密封可靠，工作寿命长，提高了气密封效果。
(3) 现场试验结果表明：CO2气驱封隔器的承压性能良好，满足油田注气工艺需求，具有良好的经济和社会效益。
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