0 引言
自2008年以来，中海油服在海上稠油油田开展了20余井次热采试验，取得了很好的试验效果和一系列的技术研究成果[1]。但目前海上热采主要采用“隔热油管+环空注氮气”的井筒隔热方式[2]，隔热方式比较单一，使用热采封隔器是一种很好的隔热方式。目前陆地油田使用的热采封隔器多为热敏封隔器，但这种封隔器没有卡瓦，会随着注汽温度及压力的波动而移动，一定程度上影响了密封效果[3-4]。而且陆地油田常用的封隔器主要是针对ø177.8 mm (7 in) 及ø139.7 mm (5.5 in) 套管井，而海上热采井多为ø244.5 mm (
X441-210型热采封隔器主要由上接头、内中心管、外中心管、坐封机构、密封部件、锚定机构、锁紧机构、解封机构和下接头等组成，结构如图 1所示。
|
| 图 1 X441-210型热采封隔器结构示意图 Fig.1 Structural schematic of Model X441-210 thermal recovery packer 1-上接头；2-提拉套；3、26-销钉；4-胶筒座；5-胶筒芯轴；6-密封环压垫；7-上铜碗；8-上护肩；9-内密封环1；10-胶筒；11-下护肩；12-下铜碗；13-密封圈；14-楔入体；15-内密封环2；16-压环；17-外中心管；18-内中心管；19-连接套；20-上活塞；21-锁块；22-下活塞；23-缸套；24、31-锁环；25、35-锁环座；27-上锥体；28-卡瓦套；29-卡瓦；30-片弹簧；32-下锥体；33-锁套；34-锁块套；36-下接头。 |
1.1.1 密封部件设计
密封部件采用内密封和外密封组合式密封设计。为实现密封件耐温350 ℃，外密封优选了复合密封件，耐磨性能好，耐温范围广，在高温和中低温下均密封可靠。密封胶筒两端设计有肩部保护装置，采用光滑的曲面设计，能够防止胶筒肩突，提高胶筒的承压能力。
1.1.2 坐封机构设计坐封机构主要由上活塞、缸套、下活塞和楔入体等组成。采用液压坐封方式，用于ø244.5 mm套管井，密封胶筒尺寸大，所需要的坐封力大，设计了双级坐封活塞，增加了液压作用面积。
1.1.3 锚定机构设计锚定机构主要由卡瓦、卡瓦套、片弹簧、上锥体和下锥体组成。采用双向卡瓦锚定，坐封后，能保证承受来自上方或下方的压力，封隔器锚定以后，能有效克服管柱上、下蠕动[5]。
1.1.4 锁紧机构设计锁紧机构主要由锁环、锁套和锁环套组成，用于锁住卡瓦和封隔件，防止封隔件回弹和卡瓦缩回。设计为螺纹单向锁紧机构，单方向移动，反方向锁紧，性能可靠。
1.1.5 解封机构设计解封机构主要由上接头、提拉套、内中心管、解封锁环、锁套以及锁块套组成。上接头和提拉套通过销钉固定，解封销钉的数量限定解封力大小。需要解封时，上提上接头，解封销钉剪断。同时设计有下锥体脱卡机构，若下锥体在解封过程中不能脱卡时，可下放管柱，给下锥体施加向下的作用力，使其脱卡[6]。
1.2 工作原理 1.2.1 坐封封隔器下到预定位置，向油管内投入钢球，从井口加液压，液压通过内、外中心管的传压孔传递给坐封活塞，坐封机构向上移动，剪断坐封销钉，上活塞上行，推动楔入体楔入封隔件，使其径向扩张，封隔油套环形空间；同时下活塞锁块被释放，下行将卡瓦撑开并锚定在套管内壁上。同时锁紧机构锁紧，防止封隔件回弹和卡瓦缩回，坐封完毕[7-8]。
1.2.2 承压工作注入热流体的压力作用在密封件上，而这些力可通过锚定机构作用到套管内壁上，使封隔器始终处于工作状态。
1.2.3 解封上提管柱，锚定机构不动，剪断解封销钉，内中心管随管柱一起上行，释放解封锁块，封隔件被释放；继续上提，上拔上锥体，2锥体间距离扩大，卡瓦缩回，封隔器完全解封。
1.3 主要技术指标最大外径：210 mm；
最小通径：76 mm；
最高工作温度：350 ℃；
最大工作压力：21 MPa；
坐封压力：16~18 MPa；
解封力：80~100 kN；
连接螺纹：88.9 mm (3 1/2 in) UP TBG。
2 室内试验根据相关标准[9-10]，对X441-210型热采封隔器进行了多次室内常温试验和高温试验。
2.1 试验内容验证封隔器的坐封性能、锚定性能、密封性能、解封性能以及耐温耐压性能。
2.2 试验条件(1) 试验设备：试验台架、试压泵、试压接头、ø244.5 mm模拟试验井以及加温保温系统；
(2) 试验介质：清水、氮气；
(3) 试验温度：20~350 ℃；
(4) 试验压力：常温下最高25 MPa，高温下最高21 MPa。
2.3 试验方法 2.3.1 常温试验试验流程如图 2所示。首先在地面通过中心管加压使封隔器坐封，然后继续升压，检验封隔器的内密封以及整体承压性能。然后将封隔器下入模拟试验井，完成坐封后，依次检验封隔器的胶筒承压性能、卡瓦锚定性能以及解封性能。
|
| 图 2 封隔器常温试验流程图 Fig.2 Test flow chart of packer at room temperature |
2.3.2 高温试验
采用导热油循环加热试验井筒，通过模拟井下高温和高压工作环境，检验封隔器的耐温性能以及高温下的密封和耐压性能[11-12]。
高温模拟试验井系统如图 3所示。通过中心管加压使封隔器坐封，然后通过加热系统循环加热试验井筒，使其达到试验温度要求。然后通过上腔管线和下腔管线分别升高上腔及下腔压力，以检测该温度下密封件的耐压能力。
|
| 图 3 高温模拟试验井系统 Fig.3 High-temperature simulation test well system 1-中心管加压管线；2-封隔器；3-丝堵；4-试验井筒；5-循环加热系统；6-下腔管线；7-上腔管线。 |
2.4 试验结果
封隔器高温试验结果见图 4。试验结果表明：封隔器坐封、坐卡、锁紧以及解封动作灵活可靠，无卡阻；内密封性能可靠，可承内压40 MPa；锚定性能稳定可靠，锚定力达860 kN；耐温350 ℃，350 ℃高温下耐压21 MPa，降温至30 ℃后，仍耐压21 MPa，升降5次，仍密封，密封性能稳定、可靠；解封可靠，解封力80~100 kN。
|
| 图 4 封隔器高温试验曲线 Fig.4 High-temperature test curve of the packer |
3 结论与认识
(1) X441-210型热采封隔器结构设计新颖，坐封、坐卡及解封灵活安全可靠，悬挂能力强，在高温、低温以及高低温交变的情况下均具有良好的密封性能。
(2) 通过室内模拟试验，检验了封隔器的坐封、锚定、密封、解封、耐温及耐压性能。试验结果表明：该封隔器各项性能稳定可靠，达到了现场应用的要求。
(3) X441-210型热采封隔器与隔热油管配套使用，不仅能够提高井筒隔热效果、提高注汽质量、保护套管，而且能够简化注汽工艺，节约注汽成本，在海上稠油热采领域具有良好的应用前景。
| [1] | 唐晓旭, 马跃, 孙永涛. 海上稠油多元热流体吞吐工艺研究及现场试验[J]. 中国海上油气, 2011, 23(3): 185–188. |
| [2] | 赵利昌, 林涛, 孙永涛, 等. 氮气隔热在渤海油田热采中的应用研究[J]. 钻采工艺, 2013, 36(1): 43–45. |
| [3] | 李卫忠. K331RT-150高温热采封隔器的研制与应用[J]. 钻采工艺, 2004, 27(3): 74, 82. |
| [4] | 王洪林, 李啸南, 段建辉, 等. 热敏封隔器的最佳受力设计[J]. 特种油气藏, 2007, 14(5): 91–93. |
| [5] | 王磊, 吴捷, 郑伟, 等. Y445-114插管封隔器的研制与应用[J]. 石油机械, 2013, 41(7): 82–84. |
| [6] | 辛林涛, 孙鑫宁, 刘海涛, 等. 新型压差丢手Y445型封隔器的研制与应用[J]. 石油钻采工艺, 2006, 28(3): 78–80. |
| [7] | 逯国成, 黄侠, 李啸南, 等. Y441-152型注蒸汽封隔器[J]. 石油机械, 2003, 31(5): 31–32. |
| [8] | 张利君. 双胶筒封隔器的研究与应用[J]. 大庆石油地质与开发, 2006, 25(增刊1): 42–43. |
| [9] | 中华人民共和国质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.石油天然气工业井下工具:封隔器和桥塞:GB/T 20970-2007/ISO 14310:2001[S].北京:中国标准出版社, 2007. |
| [10] | 中华人民共和国质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.注蒸汽封隔器及井下补偿器技术条件:SY/T 6304-1997[S].北京:中国标准出版社, 1997. |
| [11] | 刘花军, 孙永涛, 王新根, 等. 海上热采封隔器密封件的优选试验研究[J]. 钻采工艺, 2015, 38(3): 80–83. |
| [12] | 王通, 孙永涛, 邹剑, 等. 海上多元热流体高效注入管柱关键工具研究[J]. 石油钻探技术, 2015, 43(6): 93–97. |