超深裸眼注水封隔器的研制与应用

◀油气田开发工程▶超深裸眼注水封隔器的研制与应用∗张建军１，２　刘永辉１　赵　青２　曹　畅２（１􀆰西南石油大学石油与天然气工程学院　２􀆰中国石化西北油田分公司）　　摘要：针对塔河油田碳酸盐岩油藏实施分段注水存在的问题，以及常规裸眼封隔器在超深裸眼分段注水工艺中存在的不足，在裸眼封隔器工作方式优选的基础上，选择Ｋ３４１裸眼注水封隔器方案。介绍了Ｋ３４１裸眼封隔器的结构和工作原理，对封隔器的胶筒、坐封机构、胶筒密闭／锁紧机构、解封机构和平衡机构等进行了结构设计，优化了Ｋ３４１裸眼封隔器的结构。同时为防止套管腐蚀，在分注管柱结构中增加了１级套管封隔器，并在管柱中加安全接头。２口裸眼分层注水井现场试验都取得成功，验证了超深分注管柱与裸眼封隔器的可靠性和安全性。关键词：超深井；裸眼；注水；封隔器；坐封；解封机构中图分类号：ＴＥ９３４　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０􀆰１６０８２／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－４５７８􀆰２０１６􀆰０１􀆰０１８ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＯｐｅｎｈｏｌｅＷａｔｅｒＩｎｊｅｃｔｉｏｎＰａｃｋｅｒｆｏｒＵｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐＷｅｌｌＺｈａｎｇＪｉａｎｊｕｎ１，２　ＬｉｕＹｏｎｇｈｕｉ１　ＺｈａｏＱｉｎｇ２　ＣａｏＣｈａｎｇ２（１􀆰ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２􀆰ＳｉｎｏｐｅｃＮｏｒｔｈｗｅｓｔＯｉｌｆｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｉｓｓｕｅｓｏｆｓｅｐａｒａｔｅｌａｙｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎｃａｒｂｏｎａｔｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｉｎＴａｈｅＯｉｌｆｉｅｌｄ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｐｅｎｈｏｌｅｐａｃｋｅｒｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｉｎｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐｏｐｅｎｈｏｌｅｗｅｌｌｓｅｐａｒａｔｅｌａｙｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅＫ３４１ｏｐｅｎｈｏｌｅｐａｃｋｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｏｐｅｎｈｏｌｅｐａｃｋｅｒｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅ􀆰ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＫ３４１ｐａｃｋｅｒａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ􀆰Ｔｈｅｐａｃｋｅｒｒｕｂｂｅｒ，ｓｅｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｒｕｂｂｅｒｃｌｏｓｉｎｇ／ｌｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｒｅｌｅａｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｂａｌａｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＫ３４１ｐａｃｋｅｒ􀆰Ｔｏｐｒｅｖｅｎｔｃａｓｉｎｇｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ａｃａｓｉｎｇｐａｃｋｅｒａｎｄａｓａｆｅｔｙｊｏｉｎｔｈａｖｅｂｅｅｎａｄｄｅｄｉｎｓｅｐａｒａｔｅｌａｙｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｔｒｉｎｇ􀆰Ｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓｉｎｔｗｏｏｐｅｎｈｏｌｅｓｅｐａｒａｔｅｌａｙｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃ⁃ｔｉｏｎｗｅｌｌｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｓｅｐａｒａｔｅｌａｙｅｒｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｓｔｒｉｎｇｆｏｒｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐｗｅｌｌａｎｄｔｈｅｄｅ⁃ｓｉｇｎｅｄｏｐｅｎｈｏｌｅｐａｃｋｅｒ􀆰Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ⁃ｄｅｅｐｗｅｌｌ；ｏｐｅｎｈｏｌｅ；ｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ｐａｃｋｅｒ；ｓｅｔｔｉｎｇ；ｒｅｌｅａｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ０　引　言为了避免层间矛盾，扩大波及面积，提高注水效果，利用纵向发育和平面展布的致密层实施分段注水很有必要。但在塔河油田碳酸盐岩油藏实施分段注水存在以下问题：①油藏埋藏深度超过５５００ｍ，且开发井和勘探井均以裸眼完井为主，封隔器下入过程中在摩擦和撞击等机械力作用下，易发生提前坐封；②长时间注水井下工具易发生结垢、腐蚀和疲劳失效等现象，部分零件存在腐蚀粘结和开关受阻的风险；③裸眼井壁刚度及稳定性相对套管较差，一旦发生事故，在处理时极易导致井壁坍塌，风险极大。超深裸眼分段注水成功实施的关键部件———常规裸眼封隔器在应用中存在以下问题：①承受上压由销钉控制可靠性差；②下入过程中受井底负压或下井过程液击胶筒提前扩张；③胶筒材料耐温性能—９７—　　２０１６年　第４４卷　第１期石　油　机　械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　　　　　∗基金项目：国家科技重大专项“碳酸盐岩缝洞型油藏采油技术完善与应用”（２０１１ＺＸ０５０４９－００３－００３）。差。针对上述问题，需要研制具有较好防撞和防阻功能，胶筒具有良好密封性能，耐高温１４０℃以上，且解封性能可靠的裸眼井分层注水封隔器，使其在满足现场使用要求的同时，能在规定时间完成相应动作。１　裸眼封隔器工作方式优选常用的裸眼封隔器系列有Ｋ３４４、Ｋ３４２和Ｋ３４１扩张式裸眼封隔器及自膨胀封隔器，其坐封和解封原理各有不同［１－４］。Ｋ３４４封隔器利用压差作用实现坐封和密封，停注时解封，造成层间压力串通，而且不能阻止注入水倒流，不适用于裸眼井的分层注水。Ｋ３４２封隔器解封需要旋转管柱，在超深井中扭矩传递困难，而且其上部还配有一级套管封隔器，增加了扭矩传递难度。自膨胀封隔器主要有遇油膨胀和遇水膨２种类型，其膨胀率高，能实现大直径井眼的封隔，直径膨胀率可达１００％，适合不规则井眼以及裸眼井，能实现无间隙挤压式填充封隔，密封效果好，可自动膨胀，施工工艺简单，施工风险和成本低。但该封隔器属于永久封隔，管柱无法正常起出，给后期的换封带来隐患，无法满足分段注水要求。Ｋ３４１裸眼封隔器通过上提管柱实现解封，但在超深裸眼井内扭矩传递困难，上提解封方式显然更加可靠，因此选用Ｋ３４１裸眼注水封隔器方案。２　裸眼注水封隔器的研制２􀆰１　结构Ｋ３４１裸眼注水封隔器主要由上接头、上外套、平衡活塞、中外套、坐封活塞、下外套、单流阀、胶筒总成、浮动接头、密封堵头、中心管和防撞接头等组成，结构如图１所示。１—上接头；２—上外套；３—平衡活塞；４—下外套；５—坐封活塞；６—胶筒总成；７—浮动接头；８—密封堵头；９—中心管；１０—防撞接头。图１　Ｋ３４１裸眼注水封隔器结构示意图Ｆｉｇ􀆰１　ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＫ３４１ｏｐｅｎｈｏｌｅｗａｔｅｒｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐａｃｋｅｒ２􀆰２　工作原理坐封时，中心管加压推动坐封启动活塞，剪断坐封销钉，同时胶筒进液通道开启，中心管内的液体通过安装在胶筒进液口处的单流阀进入胶筒内并臌胀胶筒，实现井筒封隔。由于单流阀的作用，进入胶筒内部的液体在解封前始终被封闭在胶筒内部，在注水过程中保持胶筒的密封效果。解封时，上提中心管，剪断上外套与中心管之间的解封销钉；封隔器中心管与胶筒完全脱开，相对移动一定距离后，中心管下端的泄压槽进入胶筒内部，使胶筒内部的液体泄出；胶筒依靠自身弹力恢复原状，从而实现封隔器解封。２􀆰３　关键结构设计２􀆰３􀆰１　封隔器胶筒封隔器胶筒与井眼之间所产的接触压力及贴合程度是胶筒承受工作压差的必要条件。塔河油田属于古生界裂缝、溶洞型油藏，裸眼完井段岩层内存在许多微小的天然裂缝，增大了裸眼段的密封难度。为增大裸眼注水封隔器与井壁之间的接触面积，胶筒总成长度设计为１５００ｍｍ，有效长度设计为８００ｍｍ（外层胶料实际包裹部分），使其有效接触面积达到３５１６８０ｍｍ２，为相同规格压缩式胶筒的４倍。胶筒外径设计为１４０ｍｍ，使其可以适应内径１４８～１５２ｍｍ的裸眼规格，有利于封隔器通过不规则井段或井眼变形段。为增大臌胀胶筒的抗压强度，设计为内、外双层胶筒＋内部支撑钢带结构，设计胶筒的壁厚为３２ｍｍ，通过高温油浸疲劳试验，证明该胶筒耐温可达１５０℃，耐压差可达５０ＭＰａ。２􀆰３􀆰２　封隔器坐封机构Ｋ３４１封隔器坐封机构需具备以下２个作用：①避免封隔器在下入过程中提前坐封；②设计合理的开启压力，便于洗井、替液和坐封等其他操作。为了消除结构设计中产生的附加开启压力，Ｋ３４１裸眼注水封隔器坐封机构设计为平衡式启动活塞结构，使作用在活塞上的油管内、外液压力相互抵消，活塞上控制销钉的剪切力只由油管内所施加的液压值决定，不受封隔器所下井深的影响。活—０８—　　　　　　石　油　机　械２０１６年　第４４卷　第１期塞外套设计为一体式结构，采取一次加工成形，有利于控制外套内孔加工精度，使活塞具有相对稳定的摩擦阻力，确保封隔器坐封压力稳定。２􀆰３􀆰３　封隔器胶筒密闭／锁紧机构注水压力波动直接影响注水管柱的受力状态。长期注水时，若频繁地对扩张式胶筒进行臌胀与泄压动作，会使扩张式胶筒钢带骨架疲劳断裂；同时，封隔器也会因放压而解封，造成封隔器上、下注入水串通，影响分注效果。为确保封隔器坐封后始终保持坐封状态，在Ｋ３４１裸眼注水封隔器的进液口设计有一单流阀机构。中心管加压时，液体推动阀心并压缩弹簧，打开进液通道，液体进入胶筒内腔并不断使胶筒臌胀，使其密封；中心管泄压后，单向阀在胶筒内的高压液体及弹簧力作用下处于密闭状态，进入胶筒内腔的液体无法泄出，从而使封隔器始终保持坐封状态。通过该装置，可保持扩张式封隔器胶筒在坐封后始终处于臌胀状态，一方面可防止胶筒上、下液体连通，另一方面可使管柱始终处于锁紧状态，改善管柱的受力状态。图２为封隔器胶筒锁紧机构示意图。１—坐封活塞外套；２—销钉；３—坐封活塞；４、７、１１—Ｏ形密封圈；５—启动活塞座；６—阀座；８—皮碗总成；９—钢球；１０—弹簧座；１２—弹簧。图２　封隔器胶筒锁紧机构示意图Ｆｉｇ􀆰２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｌｏｃｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐａｃｋｅｒｒｕｂｂｅｒ２􀆰３􀆰４　封隔器解封机构扩张式胶筒实现解封的必要条件是使胶筒内、外压力平衡。为使Ｋ３４１裸眼注水封隔器能够可靠解封，在Ｋ３４１裸眼注水封隔器中心管上、中部及下端，分别设计有多条泄压水槽，呈环形分布，以增大泄压点和泄压面积。正常注水时，泄压槽不起作用。解封时，上提中心管，中心管与胶筒产生相对位移，中心管下端的泄压槽进入胶筒内部，中部的泄压槽穿越坐封接头的密封圈，并使胶筒接头处的密封圈与中心管无法完全接触，内部的密封液体从泄压槽流出胶筒，达到解封的目的。为避免封隔器在井下液压作用下提前解封，将Ｋ３４１裸眼注水封隔器上提管柱解封载荷设计为１３０ｋＮ，由于塔河油田完井管柱悬重多在７００ｋＮ左右，而使用的修井机解卡吨位在１０５０ｋＮ左右，所以该设计满足现场使用需求。２􀆰３􀆰５　封隔器平衡机构为避免外部压力波动和环空液柱压力造成销钉疲劳剪断，使封隔器提前失效，Ｋ３４１裸眼注水封隔器设计有压力平衡机构，见图３。压力平衡机构主要由２级平衡活塞组成，其原理是：注水时，封隔器中心管内的液体压力作用在压力平衡机构的活塞上，克服环空压力对胶筒及与之连接的外套之间的液柱压力，使上外套与中心管保持相对固定，避免解封销钉疲劳屈服，并确保中心管上的泄压槽始终处于胶筒外部，当中心管泄压时，此平衡力即消除，有利于封隔器解封。１—中心管；２、６、８—Ｏ形密封圈；３—上外套；４—解封销钉；５—防松销钉；７—轴用弹性挡圈；９—卡簧；１０—下外套。图３　封隔器平衡机构示意图Ｆｉｇ􀆰３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｂａｌａｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐａｃｋｅｒ２􀆰４　主要技术参数适用井径：ø１７７􀆰８０ｍｍ套管或ø１５２􀆰４０ｍｍ裸眼井；工作压差：３５ＭＰａ；工作温度：１５０℃；开启压力：１３ＭＰａ；最大外径：１４０ｍｍ；最小内径：６２ｍｍ；销钉解封载荷：８～１３ｋＮ。３　配套管柱结构设计利用Ｋ３４１裸眼封隔器实现对裸眼段内注水层的封隔，为防止套管腐蚀增加１级套管封隔器。综合考虑管柱解封工艺，套管封隔器选用可洗井封隔器，并在管柱中加安全接头，以防井下封隔器不能正常解封时，仍可以保证其以上管柱提出井筒，降低作业风险。考虑温差效应和坐封时膨胀效应及压力变化产生的活塞效应，管柱的伸缩量依靠伸缩管补