封隔器理论基础与应用

第一章、概述第一节、前言封隔器系指具有弹性密封元件，并籍此封隔环形空间，隔绝产层，以控制产（注）液，保护套管的井下工具.根据密封部位不同，可分为两种。一种是油套与套管（或裸眼井壁）之间的密封，谓之“外密封”；一种是油管或油管密封短接（也称密封段）与封隔器内腔（或密封腔容座）之间的密封，谓之“内密封”。目前常用的封隔器分为两大类：可取式封隔器和永久式封隔器。对于封隔器本身来说，最关键的部件莫过于弹性密封元件，有人比之为封隔器的心脏，因为它在很大程度上影响甚至决定着封隔器系统井下工作的成败第二节、封隔器的发展石油工业的兴起和发展，伴随着封隔器的问世和演变，早期的封隔器结构简单，用途单一、性能低下。1863年美国的布赖森发明了裸眼封隔器，1863年美国的图尔特发明了一种开有油、套压连通孔的单胶筒封隔器，其胶筒是在锥形体的楔入作用下膨胀的。随后美国的封隔器研究又加快了步伐苏联30年代初，阿塞拜疆油田首先采用正反扣螺栓式封隔器，1963年阿塞拜疆矿机研究所研制了结构比较完善的尾管式封隔器，但其下入深度只有300~650米，有效工作压差不超过2.5MPa。近几十年，随着钻井、完井工艺不断向高压、高温和复杂的深部地层方面发展，对封隔器提出更高的要求。第三节、结构封隔器的一、密封部分：密封部分是在外力（机械力或液压力）的作用下，发生动作，最终密封环形间隙，防止流体通过的机械。它是封隔器的关键部件，主要由弹性密封元件、赖以安装密封元件的钢碗、隔环（挡圈）和各种防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件构成。其中，密封元件是至关重要的核心部件，通常制作成“圆筒状”，所以也俗称胶筒。只是近来为了实现油管与封隔器之间的内密封，密封元件才制作成各种形状（如V形）的盘根二、锚定部分锚定部分也叫“支撑部分”，其作用是将封隔器支撑在套管壁上，防止封隔器由于纵向移动而影响密封性能，或引起封隔器过早解封，主要包括水力锚和卡瓦等。水力锚使用比较广泛。它通常由许多卡瓦牙或锯齿形锚爪（分布在活塞端部的圆柱面上）构成的。它既可与封隔器设计成一体，与卡瓦配套使用，也可以单独接在封隔器上（如图1）。卡瓦也是一种常用的起锚定作用的机构，美国使用最多。早期的封隔器由于下入深度浅或承压能力低，一般无需带卡瓦，或只在胶筒上部用单卡瓦，1934年才开始在胶筒下部采用上下卡瓦。七十年代，美国格伯森公司研制成功了能承受双向压差的整体卡瓦。有时为了使力的分布均匀，在胶筒两端使用两个整体卡瓦。为了防止封隔器的纵向移动，特别在深井和高压作业中往往采用正、反多极卡瓦，或附加上水力锚，即使是支撑井底的支柱式封隔器，由于怕压坏尾管，也往往如此。三、扶正部分扶正部分主要起扶正密封元件的作用（尤其在井身质量不好的井中），同时也起初卡作用，以便封隔坐封。这种作用，通常由扶正弹簧和状如灯笼的扶正器承担。在转动管柱座封封隔器时，扶正弹簧片以对套管壁的足够的摩擦力，防止封隔器壳体随管柱转动。扶正器一般由扶正弹簧罩、弹簧座和弹簧构成，其作用靠外端呈圆柱面的扶正块来实现。四、坐封部分坐封部分是使封隔器坐于目的层段后保持密封状态（即工作状态）的机构。通常，它包括坐封活塞，中心管（或开有轨迹换向槽的轨迹管），上、下接头，滑环套等。坐封部分动作时，能起两个作用：1、推动锥体，使卡瓦张开（对于带卡瓦的封隔器来说），并贴压套管壁上。2、压缩弹性密封元件，使之胀大而密封。五、缩紧部分缩紧部分是封隔器一旦坐封后，使之固定于坐封状态（使密封元件密封后保持不变）的机构。由于封隔器缩紧机构及动作方式在很大程度上影响封隔器的可取性，因而是设计可取式封隔器应予重视的结构部分。它通常由外中心管、销钉，各种内锁紧机构（如锥环、锁环、锁扣或锁扣指以及棘轮机构）构成。六、解封部分解封部分是使油、套连通，进而导致卡瓦收回，胶筒恢复原状，以利于起封的机构。对于丢式封隔器，则需另行配备专用的坐封和解封工具。它通常由平衡活塞、平衡阀（循环阀）、循环孔（连通孔）、缸套或解封套、解封销钉构成。第四节、封隔器的类型一、封隔器基本类型为了做好封隔器的预选工作，有必要了解封隔器有哪些类型，其主要结构性能和使用条件是什么。图2-1~2-9举了九种基本类型的封隔器结构示意图。1、永久式结构原理：胶筒在锥体a之间压缩，锥体靠卡瓦b固定。防突部件c保护胶筒瓣阀d插入油管后保持常开状态，拔出即关闭，此油管底部带有盘根密封，用以密封封隔器抛光的内部密封腔，限位丝扣e固定此盘根。坐封方式：机械、水力、气压。解封方式：不能解封。使用场合：（1）高压或油管负荷变化大，要求长期可靠密封的井；（2）油管长度变化大的深井；（3）生产条件复杂，坐封的准确位置比较恶劣。2、水力膨胀式结构原理：硫化有金属加强筋的弹性胶筒a，在高压液体作用下向外扩张，紧贴套管壁。单流凡尔b防止膨胀液外流，使胶筒胀开，只有在动油管柱解封时，通道c才打开，于是胶筒回收（如图2-2）。坐封方式：油管憋压。解封方式：转动或上提油管，使卸压槽对准单流凡尔。使用场合：（1）井壁不规则的裸眼井或套管损坏的井；。（2）选择性措施和测试；（3）分层采油、注水。3、水力自封式结构原理：由于皮碗是过盈的，故在起下过程中总是紧贴套管壁，每只皮碗只能承受单向压差，而且压差越大，皮碗与套管的密封也就越牢。（如图2-3）坐封方式：一般不要求坐封动作解封方式：硬把使用场合：（1）压差小的浅井；（2）压力可平衡或油管可锚定的井；（3）只需要成本不高的水力密封的井。4支柱式结构原理：当封隔器下面的油管(亦称锚定管)接触下支撑点（井底、下封隔器、桥塞或台阶）时，油管压重作用在封隔器上，胶筒在钢碗a、b之间压缩，锁扣指c弹出接受槽d,（如图2-4）坐封方式：下放压重。解封方式：上提油管。使用场合：（1）作为上封隔器堵漏；（2）预计没有高压的井；（3）油管无需保持张力的井。5张力式结构原理：当卡瓦b咬住套管后，上提油管，胶筒即被压缩于中心管与锥体a之间。通常，下压易使封隔器密封良好，上压则可使封隔器解封（如图2-5）。坐封方式：反转上提。解封方式：正转下放。使用场合：（1）、1500米以内的浅井注水和增产措施；（2）、张力补偿上压；(3）、卡瓦和坐封机械要求避开腐蚀性流体。6、机械压缩式结构原理：当卡瓦b咬住套管，油管重量作用于封隔器上时，胶筒即被压缩于中心管与锥体a之间，上压使封隔器密封更牢，下压则易使封隔器解封，依靠下压动作的水力卡瓦可平衡压力，从而承受双向压差（如图2-6）坐封方式：下放油管，施加压重。解封方式：上提油管，释放压重。使用场合：（1）、不带水力锚，用于只有上压的井（低压自喷井或抽吸作业）；（2）、带水力锚，用于增产措施、抽吸、采油（气）和封堵，多管完井中用做上封隔器。7、水力压缩式结构原理：油管蹩压后，胶筒即在锥体a和活塞b之间压缩，内腔d中的作用压力下推活塞b，从而使卡瓦张开，并使水力卡瓦e固定住中心管，内锁紧卡瓦f使封隔器保持坐封状态（如图2-7）坐封方式：油管蹩压。解封方式：上提或转动油管。使用场合：（1）只要求承受下压（带水力锚可承受双向压差）的井；（2）最好不动管柱的深井和斜井；（3）要求多次坐封多个封隔器的多层完井。8、机械张压式结构原理：依靠可以上移和锁住反扣c的扇形螺帽b，将胶筒压缩于中心管和锥体a之间，对动卡瓦d借助于油管张力或压重，使封隔器保持密封（如图2-8）坐封方式：张力加压重（上提或下放油管）。解封方式：正转上提油管。使用场合：（1）油管可以处于张力、压缩力或中和状态（不张不压）的井；（2）可能有上压、下压的井；（3）代替永久可钻式封隔器。9、水力张压式结构原理：油管蹩压时，胶筒即被压缩于锥体a和中心管之间，内腔d中的作用压力上推活塞c，张开卡瓦d，活塞e靠内锁紧卡瓦f使封隔器保持坐封状态，外卡瓦d承受双向压差（如图2-9）坐封方式：油管蹩压。解封方式：上提或转动油管。使用场合：（1）、油管可以处于张力、压缩力或中和状态（不张不压）的井；（2）、油管可起出，封隔器能丢手；（3）、有双向压差的井；（4）、最好不动管柱就能坐封的井。第五节封隔器的分类及型号编制随着油气井的勘探开发向纵深方式发展，为满足各种复杂情况的井下条件和工艺措施要求，国内外各油田都研制了多种多样的封隔器，主要来自于封隔器结构上的变化，特别是密封元件的工作原理，几何形状和所用材质等方面的改进及坐封、解封、锁紧等动作的变化，为了便于从事封隔器的研究、试验、加工、使用和管理人员能够便捷地筛选和鉴别各种封隔器，中华人民共和国石油工业部1986年9月6日发布了“油田封隔器的分类及型号编制方法”，对我国各油田使用的进行了标准上的统一。一、封隔器的分类1、分类方法：按封隔器封隔件的工作原理分类2、分类：（1）自封式：靠封隔件外径与套管内径的过盈和压差以实现密封的封隔器；（2）压缩式：靠轴向力压缩封隔件，使封隔件直径变大以实现密封的封隔器；（3）楔入式：靠楔入件楔入封隔件，使封隔件直径变大以实现密封的封隔器；（4）扩张式：一定压力的液体，作用于封隔件内腔使封隔件直径变大以实现密封的封隔器。二、封隔器的型号编制1、编制方法：按封隔件分类代号，封隔器支撑、坐封、解封方式代号及封隔器钢体最大外径五参数依次排列，进行型号编制2、代号说明及应用举例（1）分类代号：用分类名称第一个汉字的汉语拼音大写字母表示，方法如表1表1分类名称自封式压缩式楔入式扩张式分类代号ZYXK（2）支撑方式代号：用阿拉伯数字表示，方法如表2表2支撑方式名称尾管单向卡瓦无支撑双向卡瓦锚牙支撑方式代号12345（3）坐封方式代号：用阿拉伯数字表示，方法如表3钢体最大外径解封方式代号坐封方式代号分类代号支撑方式代号表3坐封方式名称提放管柱转管柱自封液压下工具坐封方式代号12345（4）解封方式代号：用阿拉伯数字表示，方法如表4表4解封方式名称提放管柱转管柱钻铣液压下工具解封方式代号12345（5）钢体最大外径：用阿拉伯数字表示，单位为mm（6）应用举例：Y211-114封隔器，表示该封隔器封隔件的工作原理为压缩式，单向卡瓦支撑，提放管柱坐封，提放管柱解封，钢体最大外径为114mm。华北K341-140型裸眼封隔器：表示为华北油田封隔器，封隔件的工作原理为扩张式，无支撑，液压坐封，提放管柱解封，钢体最大外径为140mm，适用于裸眼井。