0 引言

自2008年在渤海油田开展热采试验以来，国内在海上油田热采方面取得了良好的试验效果和一系列的技术成果^[1-5]。随着配套技术的日益完善，简易式注热管柱已不能满足现场作业要求，需要研制满足海上热采工艺需求的管柱及配套工具。海上注汽和放喷期间，要求注汽管柱能封堵油套环空，以便在井口保护设备失效的情况下，防止井底流体外溢危及平台人员和设备安全；同时，需要向隔热油管与套管组成的环形空间内连续或间歇地注入氮气，一方面起到隔热的作用，另一方面注入地层的氮气与蒸汽混合可起到增效作用^[6-8]。针对以上热采工艺需求，成功研制了Y241型双通道热采封隔器，并开展了相关室内和现场试验。

1 技术分析 1.1 设计原则

在设计Y241型双通道热采封隔器时，遵循以下设计原则：①确保封隔器在350 ℃高温下长期有效密封；②确保封隔器内部具有单向的注氮气通道，允许氮气由上而下通过；③在确保封隔器能够可靠锚定套管的前提下，尽可能地减少对套管内壁的损伤(经计算，相同压差下密封ø244.5 mm套管卡瓦的锚定力是密封ø177.8 mm套管卡瓦的2.9倍)；④确保封隔器经过350 ℃高温后能顺利解封。

1.2 结构

Y241型双通道热采封隔器主要由坐封锁紧机构、锚定机构、密封机构、注氮机构及解封机构等组成，具体结构如图 1所示。

坐封锁紧机构主要由活塞、活塞缸、锁环和压帽组成；锚定机构主要由卡瓦、箍簧及锥体组成；密封机构由密封件、碟簧及坐封套组成；注氮机构主要由球阀、弹簧、弹簧罩及单流阀座组成；解封机构主要由上接头、解封销钉、中心管及外中心管组成。

1.3 工作原理 1.3.1 坐封

封隔器下到设计井深后，通过油管加压，液压经下接头上的加压孔传递至活塞腔，推动活塞上行，活塞推动坐封套、碟簧、密封件和锥体上行，锥体楔入卡瓦，使卡瓦径向伸开，锚定套管。随后活塞继续上行，剪断坐封销钉，压缩密封件，密封油套环空，完成坐封。

1.3.2 注蒸汽和注氮气

从油管注蒸汽时，蒸汽通过中心管内通道直接注入井底。从油套环空注氮气时，氮气经过锥体上的孔道进入中心管与外中心管组成的环形空间，再经过下接头上的内孔道，推开单流阀进入封隔器以下油套环空。

1.3.3 承压

当封隔器以下环空压力大于封隔器以上环空压力时，单流阀在弹簧和压差的作用下关闭，密封油套环空。

1.3.4 解封

上提管柱，解封销钉剪断，随后带动中心管、上接头及下接头上行，外中心管上的分瓣锁爪内收，外中心管在密封件和碟簧的膨胀力作用下下行，卡瓦回收，完成解封。

1.4 主要技术参数

最大外径：210 mm；

最小内通径：76 mm；

适用套管内径：216.8~224.4 mm；

耐温：350 ℃；

密封压差：21 MPa(下压)；

坐封压力：24~25 MPa；

解封力：100~150 kN。

1.5 关键技术 1.5.1 耐高温密封件优选

目前常用的弹性密封材料，例如丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、环氧树脂及氟橡胶等，在350 ℃高温下均会失去密封作用，所以优选耐高温密封件是研制Y241型双通道热采封隔器的关键技术之一。经过大量室内试验，最终确立以分散柔性石墨为主体、改性聚四氟乙烯为保护套的组合密封方式^[9-11]。其中，分散柔性石墨密封件耐温范围广(20~380 ℃)，密封可靠，但是强度低、容易破碎；改性聚四氟乙烯密封件强度高，高温下密封性能稳定，但温度降低后收缩率大，经过高温后的改性聚四氟乙烯密封件在常温下密封容易失效。根据以上2种材料的特性，充分结合二者的优点，选用以下组合密封件：外层采用1~4 mm的改性聚四氟乙烯密封件作为薄壁圆筒，内层以分散柔性石墨为主体。该密封件在高温和常温下均能可靠密封，解决了海上油田热采过程中封隔器密封问题。

1.5.2 防回弹机构设计

参照文献[12]设计密封件防回弹机构，该机构具有以下作用：一是缩短封隔器坐封后密封件的回弹距离；二是补偿密封件由高温降至常温时，密封材料可能存在的收缩，保证密封效果。

1.5.3 注氮气通道设计

采用中心管内通道为注蒸汽通道，中心管与外中心管组成的环形空间为注氮气通道。注蒸汽通道和注氮气通道相互独立，同时注氮气通道又“包裹”着注蒸汽通道，这样的结构设计在一定程度上降低了封隔器处的热量散失。在氮气通道的出口处设计有单流阀结构，保证氮气通过，并防止井下流体上返；采用球形阀体和锥形阀座的线性金属密封方式，具有耐温和可靠的优点。

1.5.4 锚定机构设计

考虑到封隔器主要承受向上的活塞力，因此采用单向卡瓦锚定机构。增加卡瓦数量能降低卡瓦牙齿对套管的咬入深度，有利于保护套管。经过计算，最终设计卡瓦数量为6片，周向360°均匀分布，卡瓦牙齿为90°。

1.5.5 双锁紧机构设计

设计2组锁紧机构，分别为坐封锁紧机构和解封锁紧机构。坐封锁紧机构用于防止坐封后的密封件和卡瓦回弹，解封锁紧机构用于起出管柱时防止卡瓦再次坐封。

2 室内试验 2.1 常温试验^[10-11]

常温试验包括地面试验和井下试验。试验介质均为水，试验温度均为常温。地面试验的目的为检验封隔器的动作原理和整体耐压性能，具体包括：①记录实际的坐封压力和坐封距；②检验封隔器的锁紧机构性能；③检验封隔器的解封性能。

井下试验的目的为检验封隔器在井筒条件下的承压性能、锚定性能和解封性能。图 2为封隔器入井照片。

常温试验结果如表 1所示。试验中，Y241型双通道热采封隔器坐封动作灵活，整体耐压35 MPa，不渗不漏，钢件未变形；坐封力为23~25 MPa，坐封距为94~97 mm；封隔器锚定力超过1 050 kN，锚定可靠；封隔器在井筒条件下承受单向密封压差达到32 MPa，密封性能良好；解封力100~120 kN，解封可靠。

2.2 单流阀试验^[13]

单流阀试验的目的为检验单流阀的承压能力、开启和关闭灵活性，以及高低温下的密封性能。

试验先后在常温和350 ℃高温下进行，常温试验介质为水，高温试验介质为导热油。

单流阀试验结果如表 2所示。试验中，单流阀开启压力小于0.1 MPa，阀开启和关闭100次后阀体及螺纹无损坏和变形，开启和关闭灵活；单流阀在常温和350 ℃高温下密封压差达35 MPa。

2.3 高温试验

高温试验的目的为检验封隔器在高温下的密封性能以及温度交变后的密封性能。

试验在常温至350 ℃高温下进行，试验介质为导热油。试验系统原理如图 3所示。将封隔器下入试验井后加热保温，从油管加压坐封，随后从下腔管线加压，观察上腔管线压力变化。

高温试验结果见表 3。由表可知，Y241型双通道热采封隔器在350 ℃下承压21 MPa，经过2轮次350 ℃高温降至室温后，密封压差仍达21 MPa。

3 现场试验 3.1 陆地油田试验

胜利油田B区块370井人工井深1 491.00 m，生产套管直径244.47 mm。Y241型双通道热采封隔器下入井深458.09 m。该井采用蒸汽吞吐，注汽温度354~364 ℃，注汽压力18.5~19.5 MPa，注汽速度18~20 t/h，平均蒸汽干度71.4%，累计注入量3 000 t，注入时间7 d。油套环空一次性注入氮气10 050 m³。焖井9 d后，放喷无产液。随后上提管柱，解封封隔器，解封力147 kN。封隔器回收后发现卡瓦整体情况良好，锚牙未见损坏，零部件完整。

3.2 海上油田试验

渤海油田A区块B27井人工井深2 813.05 m，水深12.20 m，隔水导管直径508.00 mm，生产套管直径244.47 mm。Y241型双通道热采封隔器下入井深227.22 m。该井采用多元热流体吞吐，注入温度244~289 ℃，注入水当量2 600 m³，套管压力9.0~18.0 MPa，油管压力9.0~17.6 MPa，注入时间30 d。油套环空间歇性注入氮气(注2 h停4 h)，注氮速度3 040 m³/d。焖井3 d后，放喷生产，放喷生产时间44 d，平均日产液44.75 m³。注热期间对Y241型双通道热采封隔器进行了性能测试。当注入水当量达到300 t时，油套环空停止注入氮气，此时套管压力为12.0 MPa，随后将套管压力泄至5.0 MPa，90 min后套管压力不变。

现场试验结果表明：Y241型双通道热采封隔器结构设计合理，单流阀开启和关闭灵活，整体密封性能良好，坐封顺利，解封可靠。

4 结论及建议

(1) Y241型双通道热采封隔器具有注氮气通道，可在常温至350 ℃高温下密封油套环空，并允许油套环空内连续或间歇地注入氮气，满足海上热采工艺需求。

(2) 室内试验和现场试验结果表明：Y241型双通道热采封隔器坐封顺利，解封可靠，单流阀开启关闭灵活，常温至350 ℃高温下承压21 MPa。

(3) 目前Y241型双通道热采封隔器现场试验仅2井次，尚需增加应用井次，并跟踪使用情况，尽快使该工具在海上热采井得到推广应用。