双作用CO2驱气密封隔器研究

张瑞霞，刘建新，王继飞，韩　博，魏　伟，王卫明

（1.胜利油田石油工程技术研究院，山东东营257000；2.胜利油田高原石油装备有限责任公司，山东东营257000）

设计计算

双作用CO2驱气密封隔器研究

张瑞霞1，刘建新1，王继飞2，韩博1，魏伟1，王卫明1

（1.胜利油田石油工程技术研究院，山东东营257000；2.胜利油田高原石油装备有限责任公司，山东东营257000）

CO2驱工艺已成为提高低渗透油藏采收率的关键技术。在CO2驱工艺管柱中，气密封隔器是关键部件。为保证CO2驱工艺的气密效果，研制了双作用CO2驱气密封隔器，主要由坐封机构、密封机构、锁紧机构、解封机构、丢手机构、卡瓦防回弹机构等组成，采用液压坐封和机械坐封双重作用，具备密封、承压、锚定、丢手、解封打捞等多种功能。该封隔器在中石化华东分公司进行了现场试验，7个月后套压仍然为0，表明封隔器承压性能良好。气密封隔器的研制为CO2驱注气工艺技术的推广应用奠定了基础。

CO2驱；气密封；封隔器

CO2驱工艺近几年来已成为提高低渗透油藏采收率的关键技术。CO2与原油在一定的压力下容易实现混相，适合混相驱。如何将CO2顺利地注入地层，增加地层能量，实现驱油效果，是CO2驱注气工艺的关键技术之一。不论是多层合注还是分层分注，在CO2的注入工艺管柱中，封隔器是重要的封隔工具。CO2在高温高压状态下（温度高于31.1℃，压力高于7.38 MPa）即为超临界状态，流体的黏度接近于气体，密度接近于液体，因此，适用于CO2的密封封隔器的性能要比常规的液压封隔器的性能要求高［1-2］。

目前，最常用的分层可锚定封隔器是Y441型封隔器。经过多次反复的室内试验发现，常规的Y441型封隔器无法实现高温高压CO2超临界流体的双向承压密封［3-5］。因此，设计新型的双作用坐封的CO2驱气密封隔器——液压和机械双重作用，提高胶筒的坐封效果。

1　结构和工作原理

双作用CO2驱气密封隔器主要由坐封机构、锁紧机构、密封机构、锚定机构、解封机构、丢手机构、防转机构等组成，如图1所示。

图1　CO2气密封隔器结构

该工具可实现密封、丢手、解封、防转、打捞等多种功能。同时由于胶筒采用了耐气密材料［6］，设计了耐气密的胶筒结构，以及采用双作用坐封方式，因此封隔器具有较好的耐气密封性能。

1） 坐封原理。在中心管内液体的推动下，坐封剪钉被剪断，推动坐封活塞，带动锁环向上运动，推动下锥体带动卡瓦张开；卡瓦锚定后，向下拉动外中心管、胶筒管等带动胶筒下行被压缩坐封，同时锁环实现锁紧功能，保证胶筒和卡瓦的坐封效果。在完成坐封后，工具上端施加一定的机械力，向下压缩胶筒，提高胶筒的坐封效果，保证其密封性。

2） 承压原理。坐封完成后，胶筒可承受双向密封压差。当承受上压时，液压力通过胶筒传递到上锥体传递到卡瓦，可保证有效承压；当承受下压时，液压力通过胶筒传递到上帽、外中心管、锁环，再到下锥体和卡瓦，可保证有效承压。

3） 锚定原理。完成坐封的同时，卡瓦张开到套管壁上，同时，在下锥体下方安置碟簧机构，可以防止在封隔器机械下压时，因下锥体的活动而卡瓦松动，保证了卡瓦的锚定效果良好。

4） 丢手原理。当需要丢手时，优先采用液压投球丢手方式。投球后，丢手活塞被打掉，上接头与锁爪套之间锁爪可脱开连接实现丢手，在液压丢手失效情况下，仍可采用机械倒扣丢手来实现，保证丢手的可靠性。

5） 防转原理。中心管与上帽之间通过挡环上的键实现防转连接，上帽与胶筒管螺纹连接，胶筒管与上锥体、上锥体与卡瓦套之间通过防转钉实现防转连接，卡瓦套将转矩传递到卡瓦，最终保证卡瓦和中心管之间转矩的传递，可保证封隔器在解封打捞不顺利时可以辅助转动打捞。

6） 解封和打捞原理。利用捞矛捞住丢手内套或者中心管，上提，剪断内外中心管之间的解封剪钉，上提，依次实现胶筒的解封和卡瓦的解封，继续上提，实现封隔器的打捞。

2　技术参数

设计了139.7 mm（5英寸）套管内应用的气密封隔器，其技术参数如表1所示。

表1　双作用　CO2驱气密封隔器技术参数

3　关键技术

3.1确定坐封液压力

一般情况下，胶筒坐封力达到60～80 k N，坐封后可以满足密封要求。计算该封隔器胶筒坐封时的活塞面积

式中：d1为活塞的外径，mm；d2为活塞内径，mm。80 k N机械坐封力情况下需要的坐封液压力

式中：F为机械坐封力，N；p为液压坐封力，MPa。

同时，考虑该封隔器为液压、机械双作用坐封封隔器，在液压坐封完成后会有部分机械力帮助坐封，因此，液压坐封力可以降低15～20 MPa。

3.2锁环可靠性设计

封隔器坐封完成后锁环的锁紧可靠性对胶筒的密封性能和卡瓦的锚定性能较大影响。该封隔器的锁紧系统采用机械锁紧的原理，使锁环与锁紧套相配合承受由卡瓦和锥体传递的力。锁环和锁紧套的连接采用步进式单向锁紧螺纹，只要该锁紧螺纹不受到剪切破坏，就能保证锁环的锁紧可靠性，下面计算锁紧螺纹的强度。

该螺纹牙承受剪切载荷的强度条件为τ＜［τ］，即

式中：［Q］为剪切强度条件下，该螺纹能承受的最大载荷；d为该螺纹接触面中径，d=88.85 mm；b为接触面中径处的轴向厚度，b=0.90 mm；N为螺纹有效齿数，N=6；［τ］为材料许用剪切应力，MPa。

式中：σs为材料屈服极限，锁紧套与锁环均为3Cr13材料，σs=540 MPa；n为安全系数，n=1.2。

通过以上公式求得［Q］=3.98×105N

封隔器的锁环主要承受下压时对锁环的拉动力，设坐封承受30 MPa压差，锁环和锁紧套承受的轴向力为Q=5.2×104N，远小于［Q］=3.98×105N，因此该封隔器的锁环锁紧是可靠的。

4　现场应用

双作用CO2驱气密封隔器研制后，在华东分公司某气驱井进行了成功应用。

注气管柱结构如图2。应用该管柱的井是一口转注井。最大井斜角30°，采用双作用CO2驱气密封隔器进行封隔，下端配套注气阀，一方面实现封隔器的坐封，另一方面实现注气的单向注入。经过7个多月跟踪后，注入状况良好，且套压为0。表明封隔器的密封、锚定性能优良。

图2　注气管柱结构

5　结论

1） 研制的双作用CO2驱气密封隔器通过液压坐封和机械坐封双重作用，提高了封隔器的坐封效果和密封承压效果。

2） 该封隔器具备气密、锚定、丢手、防转、解封等多种功能。

3） 现场应用证明，该封隔器满足CO2驱注入、密封等的要求，在CO2驱注气工艺中具有广阔的应用前景。

［1］张瑞霞，刘建新，田启忠，等.CO2驱注气管柱研究及应用［J］.石油机械，2013，41（12）：26-32.

［2］张瑞霞，刘建新，王继飞，等.CO2驱免压井作业注气管柱研究及应用［J］.钻采工艺，2014，37（1）：78-82.

［3］董社霞，彭汉修，张瑞霞，等.复杂结构井完井多功能液压悬挂器［J］.石油机械，2011，39（6）：32-37.

［4］赵仲浩，程心平，郑金中，等.海上油田用Y445-210型丢手悬挂封隔器研制石油机械［J］.石油矿场机械2014，43（10）：70-75.

［5］宋运武，鲁飞，程刚，等.双级密封封隔器的研制与应用［J］.内江科技，2014（8）：28-30.

［6］朱达江，林元华，邹大鹏，等.CO2驱注气井封隔器橡胶材料腐蚀力学性能研究［J］.石油钻探技术，2014，42（5）：126-130.

Study of Double Acting Gastight Packer for CO2-Flooding

ZHANG Ruixia1，LIU Jianxin1，WANG Jifei2，HAN Bo1，WEI Wei1，WANGWeiming1
（1．Petroleum Engineering Research Institute，Shengli Oilfield，Dongying 257000，China；2．Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co．，Ltd．，Dongying 257000，China）

CO2flooding has become the important method for enhancing oilfield recovery in low permeability oil reservoirs.In the process string，gastight packer is the key question.To ensure the gastight effect，the double acting gastight packer is designed.The packer is composed by set-ting mechanism，sealing mechanism，lath mechanism，unsetting mechanism，releasing mechanism，and slip mechanism and so on.The packer has several functions，such as sealing，pressure bearing，anchoring，releasing，unlocking and so on.Now，the packer has been used for 7months in the East-ern Branch Company.The casing pressure is 0，which indicates that the performance of packer is outstanding.The success of gastight packer provides the power for promoting CO2-flooding tech-nology.

CO2-flooding；gastight；packer

TE931.203

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.008

1001-3482（2015）11-0034-04

2015-05-11

国家科技重大专项“CO2驱油油藏工程及注采工艺关键技术研究”（2012BAC24B03）

张瑞霞（1983-），女，山东肥城人，工程师，硕士，2009年毕业于中国石油大学（华东），现从事完井、采油工艺、工具方面的研究和设计，E-mail：upczrx＠163.com。