0 引言
冀东油田经过多年开发, 已进入到开发的中后期, 含水快速上升, 油井产量大幅递减, 并且含油层系包括明化镇直至沙河街组, 纵向上含油层系多、井段长, 层间差异大, 矛盾突出, 水驱突进严重。油井合采已难以实现产量的增加, 机械卡堵水和分层采油逐渐成为解决层间矛盾和增油降水的重要手段。目前, 分层采油主要采用丢手封隔器卡堵高含水层, 开采低含水层。由于冀东油田地处滩海, 地面条件差, 油井深、井斜大、井眼轨迹复杂、地层温度和压力高, 采用丢手封隔器卡堵水的过程中经常出现以下问题[1-6]:①封隔器下入过程中途坐封或提前丢手而落入井底; ②坐封丢手后验封不合格; ③密封效果差, 工作寿命短; ④打捞困难或解封困难, 起不出封隔器而造成大修。为解决上述问题, 中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院于2015年成功研制了双向坐封插入密封封隔器[7-8]。该封隔器采用液压双级浮动活塞双向坐封, 工作压力达50 MPa, 工作温度达150 ℃, 下入、坐封丢手、密封和锚定安全可靠; 顶部的打捞解封机构采取上、下独立的脱节式设计, 上、下双向解卡解封, 解封彻底且解封力小。该封隔器内部设计了多级防腐耐磨的密封机构, 可以插入插管进行内密封, 因此也应用于气举采油、防污染尾管悬挂和酸化等多种措施施工。
1 技术分析 1.1 结构双向坐封插入密封封隔器是一种液压坐封、双向卡瓦锚定、液压丢手、打捞后上提油管解封的压缩式丢手封隔器, 主要由坐封部分、锁紧部分、丢手部分、密封部分、锚定部分及打捞解封部分组成, 结构如图 1所示。
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| 图 1 双向坐封插入密封封隔器结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of the bidirectional setting plug-in sealing packer 1—悬挂短节; 2—上接头; 3—上外套; 4、6、17、36—O形密封圈; 5—上连接头; 7—上坐封活塞; 8—中间接头; 9—下坐封活塞; 10—下连接头; 11—丢手球座; 12—打捞接头; 13—坐封销钉; 14—锁套; 15—中心管; 16—钢球; 18 —丢手销钉; 19—解封销钉; 20—锁块; 21—支撑环; 22—锁环; 23—限位套; 24—上锥体; 25—卡瓦套; 26—卡瓦; 27 —箍环; 28—下锥体; 29—固定销钉; 30—胀环; 31—锥环; 32—保护碗; 33—端胶筒; 34—隔环; 35—中胶筒; 37—下接头; 38—L形压环; 39—T形密封圈; 40—T形压环; 41—凹形密封环; 42—C形密封环; 43—椭圆隔环。 |
1.2 工作原理
封隔器下井:通过油管连接上接头将双向坐封插入密封封隔器下入井内, 由于下接头外径大于刚体外径, 可有效保护封隔器密封部分和锚定部分, 防止撞击和磕碰损伤封隔器, 确保封隔器能够快速顺利下到设计位置。
坐封:油管内投入钢球, 然后憋压10~15 MPa, 上、下2级活塞下行剪断坐封销钉, 继续憋压推动锁套和上锥体下行, 由上向下打开卡瓦并压缩胶筒; 与此同时, 悬挂短节、中间接头和丢手球座上行带动中心管, 下接头由下向上压缩胶筒和卡瓦, 实现封隔器的双向坐封, 确保封隔器坐封与锚定完全可靠。在坐封过程中, 锁套下行与锁环相互啮合锁紧, 防止封隔器解封。
丢手:封隔器坐封完成后, 油管继续憋压至20~25 MPa, 丢手球座与中心管相对运动剪断丢手销钉, 实现上部坐封部分与下部封隔器脱开, 当压力突降或套管返水即完成丢手, 然后起出上部油管和坐封部分。
密封:通过双向液压压缩胶筒使得胶筒压缩完全并且两端受力一致, 而且胶筒端部的锥环胀开胀环, 胀环外径扩大, 同时保护碗被胶筒挤压胀开, 保护胶筒两端, 实现高温高压长效密封。
锚定:通过双向液压推动上、下锥体打开卡瓦, 卡瓦齿面受力均匀, 完全与套管内壁咬合, 锚定牢靠, 卡瓦始终在卡瓦套内运动, 不能脱出, 安全可靠。
插入密封:封隔器丢手后, 可以由油管底部连接相应的插管, 通过中心管内部斜面导向插入。插管依次穿过T形密封圈、凹形密封环和C形密封环, 实现插管与封隔器中心管内部的插入密封。由于密封材料防腐耐磨, 可实现重复插入, 多次使用。
打捞:当需要起出该封隔器时, 可以下入常规的对扣捞矛或者捞筒。捞矛可与打捞头内的螺纹对接咬合, 捞筒可与打捞头外部的螺纹咬合, 无论是捞矛还是捞筒, 当捞住封隔器后上提油管, 打捞头上行剪断解封销钉, 打捞头上行一定距离后, 锁块脱落, 打捞头继续上行带着锁套和上锥体上行解卡锚定部分, 上锥体带着卡瓦套和下锥体上行, 胶筒回收解封。
1.3 技术特点(1) 坐封机构外部坐封活塞下行与内部中心管上行实现双向坐封, 密封件双向受力一致, 密封和锚定可靠。
(2) 打捞解封机构独立, 上提打捞头剪断销钉即可解封, 安全可靠。
(3) 卡瓦始终在卡瓦套内运动, 可消除脱落或断裂造成的大修风险。
(4) 胶筒采用高温高压密封件, 且端部设计胀环和保护碗双重保护, 可实现双向高压密封且寿命长。
(5) 封隔器内设计多重耐温防腐密封件, 插管可多次重复插入密封。
(6) 打捞简单方便, 无需特殊专用工具, 采用常规对扣捞矛和捞筒均可实现打捞。
(7) 封隔器用途广泛, 可用于卡堵水、分层采油、气举、防污染尾管悬挂和增压注水等多种措施中, 实用性强。
1.4 主要技术参数刚体最大外径114 mm, 最小内通径60 mm, 坐封压力10~15 MPa, 丢手压力20~25 MPa, 工作压差50 MPa, 工作温度150 ℃, 解封载荷60 kN。
2 关键技术 2.1 双级活塞双向坐封机构针对常规封隔器坐封依靠多级活塞单向推进存在胶筒两端受力不均, 造成不能双向密封、密封有效期短以及卡瓦锚定不牢靠的现象, 设计了双级活塞双向坐封机构。该机构主要由悬挂短节、上接头、上外套、O形密封圈、上连接头、上坐封活塞、中间接头、下坐封活塞及下连接头组成。高压液体推动外部上、下双级活塞下行, 继而推动锁套、上锥体和下锥体下行压缩胶筒; 同时, 坐封部分内部中心管上、下接头在液压的反向作用下拉动封隔器中心管和下接头向上运动压缩胶筒, 实现封隔器胶筒的双向压缩坐封, 封隔器卡瓦和胶筒双向等力压缩, 受力均匀, 双向锚定及双向密封效果好、寿命长。
2.2 胶筒端部保护密封机构胶筒是封隔器密封的关键, 封隔器的密封性能和使用寿命主要是由胶筒决定。而胶筒失效主要表现在端部破裂, 因此特别设计胶筒端部保护密封机构。胶筒端部保护密封机构由斜向开口胀环、锥环和保护碗组成, 如图 2所示。坐封封隔器胶筒时, 锥环撑开斜向开口的胀环, 胀环外径增大阻挡油套环空, 同时全周向保护碗撑开, 阻止胶筒过度变形, 起到保护胶筒、提高密封效果和延长有效期的作用。
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| 图 2 胶筒端部保护密封机构示意图 Fig.2 Schematic of sealing mechanism with the rubber end protection 1—胀环; 2—锥环; 3—保护碗; 4—端胶筒。 |
2.3 插入密封机构
在气举、气井生产和抽油井防污染悬挂时, 需要将尾部插管插入封隔器内密封, 从而使上部管柱作业简便、快速、安全。中心管内部插入密封机构由多级T形密封圈、凹形密封环和C形密封环组成, 中间由L形压环、T形压环和椭圆隔环分隔保护, 其结构如图 3所示。密封材料由高温橡胶和防腐耐磨耐高温的聚四氟乙烯制作, 具有密封性好、防腐、耐磨及耐高温高压等特点。
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| 图 3 插入密封机构示意图 Fig.3 Schematic of plug-in sealing mechanism 1—下接头; 2—L形压环; 3—T形密封圈; 4—T形压环; 5—凹形密封环; 6—C形密封环; 7—椭圆隔环。 |
2.4 独立解卡机构
独立解卡机构主要由打捞头、解封销钉和锁块组成。解卡机构设计独立, 打捞头为独立件, 上端内、外均设计有螺纹, 下端通过解封销钉与中心管连接。只需下入常规对扣捞矛(或捞筒)即可准确对接打捞, 捞矛与打捞头的内螺纹对接咬合, 捞筒可与打捞头外部的螺纹咬合, 上提打捞头剪断解封销钉, 释放打捞头下部锁块后, 锁套、锁爪和锥体一起上行实现封隔器的解卡解封。
3 现场应用双向坐封插入密封封隔器于2015年3月在冀东油田开始现场应用, 分别在防污染悬挂尾管、卡堵底水、分层采油顶部悬挂封隔和气举采油中得到广泛应用。其中防污染悬挂尾管应用26口井、卡堵底水应用17口井、分层采油应用11口井、气举采油应用13口井。施工中封隔器坐封、丢手和验封均一次性合格, 成功率由原来的75%提高至100%。该封隔器坐封处最大井斜达62.25°, 最大井深4 507 m, 位移达2 718 m, 最高井温达152 ℃, 最长工作寿命超过2 a。双向坐封插入密封封隔器在现场的成功应用, 解决了冀东滩海油田斜井起下难度大、密封效果差以及打捞难度大等一系列问题, 实现了一种封隔器满足多种用途的需要。该封隔器应用范围广泛, 具有良好的推广应用前景。
4 结论(1) 封隔器液压双向坐封, 双向锚定、双向密封效果好, 寿命长。
(2) 胶筒优选耐高温高压橡胶, 胶筒端部设计了胀环和保护碗组成的保护机构, 保证了高压密封效果, 延长了胶筒工作寿命。
(3) 封隔器中心管内部设计多组耐磨防腐密封, 插管重复插入密封可靠, 保障了防污染悬挂和气举井生产管柱的插入密封。
(4) 该封隔器顶部内、外均可采用常规捞矛或捞筒进行打捞, 方便可靠, 打捞效率高。
(5) 该封隔器适应面广, 可用于分层采油、代替桥塞卡堵水、防污染尾管悬挂、气举以及天然气井生产等多种增产措施, 实用性强。
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