楔入式钢骨架胶筒封隔器研制与应用

王立勋

（大庆油田有限责任公司第五采油厂，黑龙江大庆163513）①

楔入式钢骨架胶筒封隔器研制与应用

王立勋

（大庆油田有限责任公司第五采油厂，黑龙江大庆163513）①

为了适应油田多级精细注水的需要，研制了楔入式钢骨架胶筒封隔器。该封隔器胶筒内部采用钢骨架结构，外部挂胶，坐封时利用锥形刚体插头楔入钢骨架胶筒中，撑开胶筒贴在套管壁上进行密封。解封时油套环空高压液体推动插头和外筒接头，使插头退出胶筒，也可在作业时上提管柱逐级解封。该封隔器具有注水坐封、反洗井解封、大排量洗井、重复坐解封等特点。该封隔器现场应用4口井，应用效果好，是一种现场操作可靠，且能够满足多级精细注水需求的井下封堵工具。

楔入式封隔器；钢骨架胶筒；坐封；解封；洗井

目前，油田分层注水工艺普遍应用压缩式封隔器，为液压坐封、上提解封、活塞式洗井机构设计。随着油田注水开发细分级数的增加，压缩式封隔器存在以下问题：①压缩式封隔器受结构限制，活塞式洗井机构随着细分级数增加，洗井压力和流量逐层损失，洗井效果较差；②压缩式封隔器多采用上提管柱方式解封，使用级数越多拔管柱时载荷越大，造成起管柱时解封困难，影响部分井的细分调整；③压缩式封隔器主通道缩径对投捞测试工艺具有一定影响，使用级数的增加势必给调配工作带来问题。

针对上述问题，设计了1种楔入式钢骨架胶筒封隔器。该封隔器密封性好，注水坐封，反洗井解封，反复坐解封可靠，使用寿命长，并能在作业时上提油管解封，有效实现注水井分层。

1 设计思路

楔入式钢骨架胶筒封隔器主要应用于分层注水工艺中，与配水器配套使用，随油管一起下入预定井深，地面正常注水坐封，反洗井解封，在不反洗井作业时，可上提油管解封。该工具在结构设计上力求简单，机械加工方便。主要设计思路为：

1） 密封元件采用钢骨架胶筒设计，即能保证胶筒的弹性，又能保证胶筒的刚性，使其密封可靠，延长使用寿命。

2） 坐封部分采用锥形刚体插头楔入钢骨架胶筒中，撑开胶筒贴在套管壁上，卡簧防止楔入椎体后退。

3） 解封部分采用2种方式：第1种方式是在正常生产时，反洗井实现封隔器解封；第2种方式是在作业时，上提管柱实现逐级解封。

4） 封隔器以油套环空为洗井通道，实现满井筒大排量洗井。

2 技术分析［1-2］

2.1 封隔器结构

楔入式钢骨架胶筒封隔器的结构如图1所示。主要由上接头、上外筒、插头、中心管、下外管、下接头、中心管下接头、中外筒、外筒接头、胶筒总成、中心管上接头、剪钉等组成。

图1 楔入式钢骨架胶筒封隔器结构

2.2 钢骨架胶筒结构

钢骨架胶筒结构如图2所示，由密封橡胶和钢质骨架组成。钢质骨架采用优质弹簧钢，由26个弹簧片组成，胶筒材质采用丁腈橡胶和氯丁橡胶混合，胶筒弹性好、耐高温。钢骨架胶筒用金属的刚性来满足橡胶的刚性，因此胶筒具有足够的柔韧性和刚性，使胶筒在井下复杂环境下保持密封，并且能按照需要反复张开收缩，实现封隔器的重复坐解封，延长封隔器的使用寿命。

图2 钢骨架胶筒结构

2.3 工作原理

1） 坐封 加压时，高压液体进入上外筒与中心管和中外筒与中心管的环空内，进入上外筒与中心管环空内的高压液体推动外筒接头下行，同时进入中外筒和中心管环空内的高压液体推动锥形刚体插头下行，实现二级压缩推动锥形刚体插头向下移动，使胶筒向外扩张、行程达90 mm时，封隔器完成坐封。

2） 解封 有2种解封方式：①反洗井时，油套环空高压液体推动插头和外筒接头上行，使插头退出钢骨架胶筒，实现封隔器解封，该封隔器坐封、解封动作可反复实现，反复使用不低于50次；②在不反洗井作业管柱时，可上提油管（80 k N）使解封销钉剪断实现解封，继续上提油管实现下一级封隔器胶筒的逐级解封。

3） 洗井 反洗井时，油套环空高压液体推动插头和外筒接头上行，使插头退出钢骨架胶筒，实现封隔器解封，以封隔器与套管间环空为洗井通道，实现满井筒大排量洗井。

2.4 主要技术参数

2.5 技术特点

1） 楔入式钢骨架胶筒封隔器密封方式为钢件楔入胶筒，密封段长达90 mm，密封效果好。

2） 密封元件为钢骨架胶筒设计，密封性能好，密封插头和胶筒的钢骨架为金属相互接触，便于反洗井时顺利解封。

3） 注水坐封，反洗井解封，在注水井作业时，可上提管柱解封，施工简便、安全可靠。

4） 内通径大，满足多级注水测试需求。

2.6 内中心管强度校核［3］

封隔器中心管M65×2螺纹牙为最薄弱环节，对其进行强度校核。

中心管材料为40Cr，内径为ø55 mm，外径为ø65 mm，壁厚为5 mm。屈服极限σs＝785 MPa。假设最大拉力Q＝3.5×105N，螺纹牙外径d＝65 mm。

2.6.1 剪切强度校核

2.6.2 弯曲强度校核

3 室内试验及现场应用

3.1 室内试验

为了保证楔入式钢骨架胶筒封隔器在井下工作的可靠性，在工具制成后，应用2台压力试验机（50 MPa）及模拟套管的工装进行了室内试验。试验步骤如下：

1） 将封隔器安装到试验工装内，连接好压力试验机。

2） 封隔器中心管加压至3 MPa，坐封活塞推动锥形插头动作，6 MPa时坐封到位，稳压30 min，压力保持不变。

3） 封隔器坐封后，向封隔器胶筒下方的油套环空加压，压力升至20 MPa，稳压30 min，封隔器胶筒不渗不漏。

4） 封隔器坐封后，向封隔器胶筒上方的油套环空打压，压力升至4 MPa，封隔器胶筒有溢流，压力升至5 MPa时，有大量水流出，可知封隔器解封。

5） 将封隔器放入试验工装内，连接加压泵装置，反复坐解封50次，封隔器均能顺利坐解封，胶筒无损坏。

通过试验验证楔入式钢骨架胶筒封隔器原理可靠，满足设计要求。

3.2 现场应用

2012年至今共现场试验4口井、20套工具，均下井成功，井层密封率达到100%，如表1。

表1 现场应用情况

2012-12，X137井由于原井下管柱封隔器失效进行重配作业，下入7级7段楔入式钢骨架胶筒封隔器分注管柱，作业后试验流程：坐封—验封—反洗井—测试洗井排量—坐封—验封。2次验封显示各层均密封，洗井排量为68.5 m3／h，洗井彻底，效果好。该井于2013年反洗井2次，洗井排量大，效果好，洗井后进行验封，各层段均密封。

截止发稿前，现场试验应用的4口井均正常生产。

4 结论

1） 楔入式钢骨架胶筒封隔器具有独特的坐封机构、密封元件及密封形式，提高了封隔器的密封可靠性和使用寿命，为封隔器密封设计提供了宝贵经验。

2） 楔入式钢骨架胶筒封隔器可单级卡封，也可以多级分层，满足大压差注水井多级分注的要求。

3） 楔入式钢骨架胶筒封隔器内部结构无洗井通道设计，内通径大，满足多级细分注水时测试的需要。

4） 楔入式钢骨架胶筒封隔器以油套环空为洗井通道，满环空洗井排量大、效果好，解决了压缩式封隔器7级以上封隔器洗井效果差的问题。

［1］ 朱晓荣，吴雷泽，代理震.封隔器设计基础［M］.北京：中国石化出版社，2012.

［2］ 吕瑞典.油气开采井下作业及工具［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［3］ 成大先.机械设计手册：第2卷［K］.北京：化学工业出版社，2007.

Development and Application of Wedging Packer with Steel Skeleton Rubber

In order to meet the needs of the accurate subdivision water injection in oilfield，the wedging packers with steel skeleton rubber was developed.This packer rubber is steel skeleton rubber inside and hanging rubber outside.Packer setting when using tapered plug rigid body wedge into the steel skeleton rubber tube，does hold rubber tube sealing on the casing wall，packer releasing when tubing-casing annulus hyperbaric liquid pushing the plug and outer tube joint，make the plug out of rubber tube，can also be released gradually by lifting up the string.This packer is characterized by being set by water injection，being released by washing，being washed by large displacement and being repeatedly set and released.The wedging packers with steel skeleton rubber were tested in 4 wells with 100%success.It indicates that this packer is a downhole isolation tool with reliable in-situ operating performance and satisfies the need of accurate subdivision water injection in oilfield.

wedging packer；steel skeleton rubber；setting；releasing；washing

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.021

1001-3482（2014）11-0083-04①

2014-05-23

王立勋（1982-），女，黑龙江五常人，工程师，硕士，主要从事采油工程专业工作，E-mail：wlixun＠petrochina.com.cn。