插入式高温高压注气封隔器的设计与研制.pdf

第19卷 第3期 新疆石油天然气Vol.19 No.3 2023年9月 Xinjiang Oil&GasSept.2023基金项目：中国石油冀东油田开发重大科技工程“提高采收率专项工程研究”（KF2018A03）。作者简介：黄晓蒙（1982-），2008年毕业于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业，高级工程师，目前从事机械采油及井下工具研究工作。（Tel）0315-8768285（E-mail）zcy_文章编号：16732677（2023）03021-05DOI：10.12388/j.issn.1673-2677.2023.03.003插入式高温高压注气封隔器的设计与研制黄晓蒙，肖国华，王磊，王远征，田晶蒙，王瑶（中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院，河北唐山 063004）摘要：为解决高压注气过程中注气封隔器密封不严导致的油套环空带压问题，通过优化封隔器结构、优选密封机构与材料，研制了一种新型的插入式高温高压注气封隔器。该封隔器设计整体式密封插管，减少连接部位，降低漏失风险；设计密封圈与插管本体一体硫化，避免管柱蠕动对密封圈的损伤，提高插管密封效果和寿命；选用气密封胶筒，设计分瓣张开式刚性支撑保护，避免胶筒受损，提高注气密封性能。该封隔器的优化设计延长了封隔器使用寿命，降低了油套环空带压风险，解决了高压注气安全隐患，为冀东油田气驱发展提供技术支撑。关键词：插入式；高压注气；封隔器；胶筒；密封性能；环空带压中图分类号：TE931文献标识码：ADesign and Development of the High-Temperature High-Pressure Insert-Type Packer for Gas InjectionHUANG Xiaomeng，XIAO Guohua，WANG Lei，WANG Yuanzheng，TIAN Jingmeng，WANG Yao（Research Institute of Drilling&Production Technology，PetroChina Jidong Oilfield Company，Tangshan 063004，Hebei，China）Abstract：In order to solve the troublesome tubing and casing annulus pressure caused by sealing failure of the gas injection packer during high-pressure gas injection，a new insert-type high-temperature high-pressure gas injection packer was developed by optimiz-ing the packer structure and sealing mechanism and elements.The integral insert sealing tubing is designed to reduce the connection parts and therefore，leakage risks.The sealing rings are integrated into the insert tubing body via the in-situ vulcanization to avoid damage to sealing rings due to string creep and improve the sealing effect and service life of the insert tubing.The gas-sealing rubber cylinder is adopted and equipped with split-open rigid support protectionto avoid damage to the rubber cylinder，improve the gas injec-tion sealing performance and prolong the service life of the packer.The invented packer reduces the risks of casing annulus pressure，solves the potential safety hazards in high-pressure gas injection，and provides technical support for gas flooding in Jidong Oilfield.Key words：insert-type；high-pressure gas injection；packer；rubber cylinder；sealing performance；annulus pressure引用：黄晓蒙，肖国华，王磊，等.插入式高温高压注气封隔器的设计与研制 J.新疆石油天然气，2023，19（3）：21-25.Cite：HUANG Xiaomeng，XIAO Guohua，WANG Lei，et al.Design and development of the high-temperature high-pressure insert-type packer for gas injection J.Xinjiang Oil&Gas，2023，19（3）：21-25.气驱采油技术作为国内外低渗透油田提高采收率的有效技术之一，受到各大油田青睐1-3。在气驱采油注气过程中，封隔器是整个注气管柱中最为关键的工具，通过设置封隔器可以对封隔器以下目的层注气，同时保护封隔器以上套管不受气体腐蚀4-9。目前各大油田常用的注气封隔器类型主要为压缩式封隔器，如Y221机械坐封封隔器、永久式液压封隔器和可取式液压插入封隔器等。现场应用效果跟踪发现，注气管柱在工作一段时间后个别封隔器因密封不严导致环空带压。主要原因体现在：（1）Y221封隔器，依靠旋转油管并下压坐封、上提管柱解封，在注气、停注等工况频繁交替时，油管伸长、缩短等效应易导致封隔器提前解封；（2）永久式液压封隔器依靠液压坐封，工具成本高且再次作业时需要钻、磨等操作，起出21新疆石油天然气2023年困难，不利于注气管柱检修及后期作业；（3）可取式液压插入封隔器作业时可实现封隔器留井，只检修封隔器以上注气管柱，相较于以上两种封隔器应用较多。但是，传统密封插管采用O型密封圈实现与封隔器的插入密封，在注气压力调整及停注时，密封插管在封隔器内部上下蠕动，极易造成密封圈损伤与脱落10，11。同时，由于胶筒端部无保护机构，封隔器下井和坐封过程胶筒易受损，严重影响密封效果，对安全注气带来极大挑战12-19。为满足冀东油田气驱采油需要，提高注气工艺管柱的密封有效性，在对现有可取式液压插入封隔器研究的基础上，对封隔器的插管结构及密封材料进行了改进和处理，研制了插入式高压注气封隔器并开展了现场应用，效果较好。1 结构与工作原理1.1 结构插入式高温高压注气封隔器主要由封隔器本体和整体式密封插管两大部分组成。封隔器本体主要由中心管、剪切环、连接管、支撑卡瓦、胶筒端部保护机构、密封胶筒、锁定机构、解锁机构、锁套和锁环等部件组成，其结构如图1所示。整体式密封插管主要由插管本体和一体硫化密封圈组成，在插管本体上部、下部分别设置扶正接头和导向引鞋，整体式密封插管结构如图2所示。1-坐封球座；2-坐封销钉；3-剪钉套；4-打捞头；5-中心管；6-丢手销钉；7-锁套；8-解封销钉；9-连接套；10-锁环；11-上锥体；12-卡瓦套；13-卡瓦；14-箍环；15-下锥体；16-分瓣保护座；17-箍环；18-锥环；19-保护碗；20-胶筒；21-验封管；22-隔环；23-保护碗；24-下接头；25-插管堵头图1 插入式高温高压注气封隔器结构示意图1-插管本体；2-一体硫化密封圈图2 整体式密封插管结构示意图1.2 工作原理插入式高温高压注气封隔器的封隔器本体与密封插管为分体结构。注气时，密封插管插入已丢手的封隔器中心管内；作业时，可以上提油管取出封隔器之上的管柱和密封插管。具体工作原理分过程阐述如下。坐封和锚定：插入式高温高压注气封隔器本体上部连接封隔器专用坐封工具，随油管下入井中。当到达设计位置时，地面泵送液体，球座在液压力的作用下推动坐封工具下行，剪断坐封销钉，压缩胶筒组合，密封油套环空，同时双向卡瓦在锥体推动下张开，实现封隔器的坐封和锚定。丢手和验上压：地面继续从油管打压，直至剪断丢手销钉，坐封工具与封隔器脱开，实现丢手。继续打压，并观察套压变化，可检验封隔器耐上压密封性能。验封合格后，起出坐封工具。密封插管对接和验下压：油管底部连接整体式密封插管入井，整体式密封插管利用密封环组与封隔器中心管内壁密封。整体式密封插管可在封隔器中心管内的一定范围上、下移动，管柱蠕动时不会对封隔器造成影响。此时，地面打压可检验封隔器耐下压密封性能。解封：当作业时，利用油管下入专用解封工具与封隔器打捞头对接后上提管柱，中心管随油管上行，解封销钉剪断，锁环释放，卡瓦与胶筒回缩，完成解封。1.3 技术特点（1）封隔器液压控制，解封机构独立，可一趟管柱22黄晓蒙，等：插入式高温高压注气封隔器的设计与研制第19卷 第3期实现坐封、丢手和验封，采用专用工具上提管柱解封打捞，操作可靠。（2）封隔器采用双向卡瓦及高温高压密封胶筒，双向承压密封效果好。（3）整体式密封插管采用多级密封一体硫化技术，减少螺纹连接部件，实现密封的同时降低注气时泄漏风险。（4）胶筒两端设计分瓣式保护机构，在高温高压注气工作状态下对胶筒起到很好的承托作用，提高长效密封性能。1.4 主要技术参数插入式高温高压注气封隔器最大外径可达114 mm，插管最大外径108 mm，其详细技术性能参数如表1所示。表1 插入式高温高压注气封隔器技术参数表封隔器最大外径/mm114插管最大外径/mm108插管内通径/mm50坐封压力/MPa15丢手压力/MPa20解封载荷/t2-6耐温/150耐压/MPa502 关键技术2.1 长距离密封插管整体式设计传统密封插管采用多段组合式结构，其结构如图3所示。考虑注气过程中连接部件越多，漏失风险越大，将多段式组合式插管结构设计为整体式，减少注气时多处螺纹连接导致的气体泄漏风险，其结构如图4所示。1-扶正接头；2-插管本体；3-外密封圈；4-内密封圈密；5-密封接头；6-导向引鞋图3 传统多段组合式密封插管（改进前）1-插管本体；2-一体硫化密封圈图4 整体式密封插管（改进后）2.2 插管密封一体硫化设计传统密封插管利用多级密封接头串联，并利用多道O型密封圈进行密封，此种结构大大增加了密封圈脱落风险和连接部位漏气风险，其结构如图5所示。1-插管本体；2-外密封圈；3-内密封圈密；4-密封接头图5 传统密封插管密封结构示意图为保证密封效果，将插管与密封件一体硫化设计，利用生胶料条缠绕在密封插管本体多组“T”型硫化槽处，并用专用工装（硫化环套）包裹住生胶料条，再对整个密封插管进行整体加温硫化，形成的硫化密封结构可与封隔器中心管内壁形成过盈配合密封，有效降低了因插管反复蠕动导致的胶圈损坏风险。同时，该设计减少了密封插管的加工难度，降低了工具成本。其结构示意图如图6所示。1-插管本体；2-一体硫化密封圈图6 整体式密封插管一体硫化密封结构示意图23新疆石油天然气2023年2.3 胶筒保护机构设计插入式高温高压注气封隔器胶筒保护机构由分瓣保护座、锥环、箍环和保护碗组成，其结构示意图如图7所示。分瓣保护座由箍环箍在一起，可实现分瓣保护座同步张开和回收；坐封封隔器胶筒时，下压管柱，锥体受力下移撑开弹性箍环，使分瓣保护座内径扩大，与撑开的保护碗一起对胶筒起到支撑保护作用，保证胶筒完整性。1-分瓣保护座；2-箍环；3-锥环；4-保护碗；5-胶筒图7 胶筒保护机构示意图3 室内实验3.1 封隔器压力实验将封隔器固定于实验台架，在胶筒及卡瓦处套上短套管。用电动试压泵加压，记录坐封销钉剪断时的压力（启动压力），继续加压，记录各压力点对应的胶筒压缩距，压力每上升1.0 MPa记录一次胶筒压缩距，直至压力上升而压缩距不变为止，此时的压缩距为最大压缩距，泵压为封隔器的坐封压力。继续加压直至坐封工具与封隔器脱开，此压力为丢手压力。3.2 胶筒承压性能实验将短套管上端安装试压接头，上、下腔分别加压50 MPa，稳压30 min，不渗不漏为合格；检查管柱无移动，无变化为合格20-22。3.3 高温高压性能实验封隔器底端装上丝堵，封隔器上端与试压管线连接好后，放入油浸模拟井筒内，不要固定井口。油管缓慢加压，实现封隔器坐封、丢手。安装试压井口，油浸模拟井筒循环加热到150，按照3.2方法分别测试封隔器承压性能。降温至50 以下，测量井口油管长度，检查管柱是否移动为合格。3.4 解封实验下入解封打捞工具，用桁吊配拉力计，上提起出封隔器，记录封隔器起出的解封力。经实验检验，封隔器坐封压力、丢手压力、耐温、耐压及解封载荷均满足设计要求。4 现场应用插入式高温高压注气封隔器在冀东油田注气井中开展应用22井次。封隔器坐封、丢手和验封一次性合格，部分井现场应用情况如表1所示。现场应用记录中封隔器最大下深3 776 m，坐封处最大井斜达60.7，最高井温125.6，最高注气压力33.5 MPa，最长工作寿命超过3年。插入式高温高压注气封隔器的成功应用，解决了注气封隔器密封效果差、寿命低、环空带压等一系列问题，实现了注气井的安全生产。该封隔器应用范围广泛，在气驱井中具有良好的推广应用前景。表1 插入式高温高压注气封隔器现场应用情况井号XX1XX2XX3XX4 XX5入井日期2017-06-122017-07-092017-07-092020-10-252022-08-31油层温度/65.7898286.20125.6管柱下深/m1 7402 0741 8342 2043 776最大井斜/（）266060.752.838.5注入压力/MPa11.514.421.533.531套压/MPa00000日注入量0.7104 m31.3104 m31.7104 m32.9104 m326 t有效期/年333继续有效继续有效24黄晓蒙，等：插入式高温高压注气封隔器的设计与研制第19卷 第3期5 结论现场应用表明，插入式高温高压注气封隔器最高应用温度150、最高注气压力33.5 MPa，最长工作寿命超过3年，解决了封隔器密封、不良频繁作业的技术难题，实现了气井有效安全注气，应用前景广阔。研究形成以下三点认识：（1）设计的插入式高温高压注气封隔器采用液压双向坐封，双效锚定，确保了注气过程的安全性，坐封及解封操作简单，施工方便。（2）封隔器内部密封插管采用多级密封一体硫化技术，减少螺纹连接部件，插管重复插入密封可靠，保障了注气过程的插入密封。（3）胶筒优选耐高温高压橡胶，耐温耐压满足150/50 MPa，胶筒端部设计了分瓣保护座和保护碗组成的胶筒保护机构，延长了胶筒工作寿命。参考文献1 袁士义，王强，李军诗，等.注气提高采收率技术进展及前景展望 J.石油学报，2020，41（12）：1623-1632.2 文浩，付美龙，刘德华，等.特低渗油藏氮气泡沫调驱适应性研究 J.西安石油大学学报：自然科学版，2019，34（4）：52-59.3 张泉，付美龙，孙晶，等.特低渗油藏氮气泡沫驱油效率实验研究其现场应用 J.西安石油大学学报：自然科学版，2019，34（2）：54-59.4 王克林，张波，李超，等.库车山前深层高温高压气井多封隔器分层压裂工艺 J.石油钻采工艺，2021，43（2）：239-243.5 陈彬，张伟国，姚磊，等.K344波纹状钢骨架封隔器结构优化 J.辽宁石油化工大学学报，2021，41（4）：58-62.6 张晓静.二氧化碳驱油分层注入技术研究 J.石油矿场机械，2016，45（11）：73-77.7 曹力元.一种新型CO2驱油注气管柱的研制及应用 J.油气藏评价与开发，2019，9（3）：73-76.8 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