[来源：石油钻井工艺]作者：田启忠
（胜利油田石油工程技术研究院，山东东营 257000）
摘要：很多低渗透油藏布置注气井，进行注气驱油生产。现有的丢手式注气管柱，利于后期换管作业，解决了Y211 注气管柱再次作业时需要大量放气和难以压井的问题，但出现了封隔器坐封不良、丢手工具丢不开的现象。设计了一种新型的可丢手式注气封隔器，采用油管打液压和下放管柱加压的双重作用坐封胶筒，提高其密封能力；可以投球进行液压或机械丢手，后期可回接密封进行注气施工。封隔器设计完成后，进行了室内模拟实验及现场试验，表明封隔器密封性能可靠，满足了注气工艺的现场需要，并且延长免修期，降低注气成本，为注气驱油技术的推广奠定了基础，应用前景广阔。
近年来，特低渗油藏探明储量在每年的低渗透新增探明储量中所占比例呈增长趋势，逐渐成为胜利油田低渗透新增储量的主要类型。从研究机理及国内外开发效果来看，CO2 驱油技术是大幅度提高低渗透油藏采收率的主要方法。
胜利油田在高89 区块选择了部分井进行注CO2 驱油的先导试验。笔者对注气管柱的关键部分—注气封隔器进行了重点研究。
1 注气管柱
胜利油田早期在纯梁采油厂高89 区块进行的注气现场试验均采用丢手式注气管柱，其分体式丢手结构利于后期的换管作业，管柱结构见图1。封隔器是整个注气管柱中最为关键的工具，实现油套环空隔离，通过注气管柱对封隔器以下层位进行注气，同时保护油层上部套管不受CO2 腐蚀［1］。在前期的注气作业中，容易出现封隔器坐封不良，丢手工具也有丢不开的情况。由于工具性能不可靠导致了前期施工的失败，必须研制一种新式封隔器，保证注气工艺的顺利实施。
2 方案设计
2.1 设计思路
在前期研究的基础上，形成了复合坐封式注气封隔器的设计思路：采用油管打液压和下放管柱挤压坐封，提高密封能力；能实现液压或机械丢手功能，并可以回接密封；考虑CO2 的腐蚀性，为关键部件优选材质（丢手上接头采用35CrMo，卡瓦采用20CrMoTi，其余主要部件采用3Cr13）；考虑井深及井温条件，封隔器密封件优选耐高温橡胶材料。
2.2 结构设计
复合坐封式注气封隔器结构如图2 所示。支撑套和连接套套装在中心管上，在连接套的上部套装胶筒和上锥体，和连接套上部的压帽组成密封机构，胶筒之间通过隔环间隔；上锥体和下锥体套装在连接套的中上部，在两锥体之间安装有卡瓦套，卡瓦位于上、下锥体之间，卡瓦牙从卡瓦套的开槽伸出［2］；下锥体下部连接液缸套，液缸套和连接套之间装有坐封活塞和锁紧套，两者通过坐封剪钉固定在一起，中心管上对应坐封活塞的位置开有进液孔用来传递液压力，中心管与连接套在轴向方向上通过解封剪钉固定；锁紧套的下方设计有锁紧螺纹，锁紧螺纹上设有锁环以实现锁紧功能，锁紧套最下端连接下接头，方便与其他工具配套使用。回接筒和锁爪套之间设有丢手活塞，上接头下部本体设计为弹性分瓣锁爪，锁爪上设有倒扣螺纹，与回接筒上的倒扣螺纹配合连接后，丢手活塞由内向外将锁爪顶紧固定；在上接头和回接筒之间设置有球座，球座密封面之上设置有进液孔，投球后可以通过进液孔传递液压力进行丢手动作。
2.3 工作原理
首先组装注气丢手管柱，封隔器以下顺次连接蝶板阀、注气止回阀，在封隔器的丢手球座上连接内插管，内插管延伸至蝶板阀内，使蝶板阀处于打开状态；管柱到位后，投入钢球，注气止回阀以上形成密闭空间，通过油管打液压，推动封隔器的坐封活塞上行顶压下锥体，剪断坐封剪钉，下锥体继续上行撑出卡瓦，将封隔器锚定在套管内壁上；同时，液压反作用在锁紧套上，带动中心管下行，由于卡瓦已经固定，此时胶筒开始受挤压变形，胶筒的变形通过下面的锁环及锁紧套锁定；如果液压力不够，还可以将整个管柱下放加压，增加胶筒形变量，提高封隔器密封效果。继续打压将注气止回阀的滑套打掉，建立注气通道。再次投球打压，将丢手活塞打掉，上接头下端的锁爪失去支撑，上提管柱实现丢手动作；如果液压动作失效，还可以正转管柱，实现倒扣丢手。管柱上提后，带动内插管从蝶板阀内拔出，蝶板阀自动关闭，密封下部空间，实现不压井作业。
注气施工时，下入由注气密封插头、反洗阀和水力锚组成的注气管柱，将密封插头插入封隔器的回接筒内形成密封，导引头下探打开蝶板阀，实施注气施工。注气时反洗阀关闭，在压力的作用下水力锚锚定在套管上，防止注气时管柱蠕动；反洗阀可以通过环空反向打开，替入环空保护液；井下有脏物时也可以进行反循环洗井。如果需要更换注气管柱，泄压收回水力锚，即可起出注气管柱，此时蝶板阀自动关闭，可以实现不压井更换注气管柱。
2.4 关键部件设计
2.4.1 坐封结构设计
坐封活塞结构如图3 所示，其环形面积为
S = π（ R2 - r2 ）=3.14×(50.52 - 36.52 )= 3 824.52 mm2（ 1）
式中，S 为坐封活塞的环形面积，mm2；R 为活塞外环半径，mm；r 为活塞内环半径，mm。
为了保证封隔器坐封的可靠性，现场作业按照要求采用5、10、15、20MPa 由低到高的渐进式液压坐封，各阶段液压坐封时产生的推力为19.12 kN，38.24 kN，57.37 kN，76.49 kN。
2.4.2 胶筒坐封距计算
根据坐封过程中胶筒体积相等原理计算坐封距L 为
式中，V1 为胶筒坐封前总体积，mm3；V2 为胶筒坐封后总体积，mm3；R1 为坐封前的胶筒外半径，取值56.5 mm；R2 为坐封后的胶筒外半径，取值62 mm；r为胶筒的内半径，取值36.5 mm；h1、h2、h3 分别为三只胶筒的长度，取值为80、70、80 mm；H 为三只胶筒坐封后的总长度，mm；L 为胶筒坐封距，mm。
封隔器坐封时锁定套移动的相对距离等于胶筒压缩的距离和卡瓦撑出的锚定距之和，因此为满足封隔器可靠坐封要求，锁定套的有效行程应大于上述距离之和，最终确定为136 mm［3］。
2.4.3 丢手机构设计
丢手活塞结构如图4 所示，初步设计采用两个M8 的螺纹剪钉，材料为H62，经过计算总剪断力为23.52 kN，则设计丢手压力为
式中，p 为设计丢手压力，即作用在活塞环形面积上的液体压强，MPa；F 为两个剪钉的总剪断力，kN； S为丢手活塞环形面积，mm2；R 为丢手活塞的外环形半径，mm；r 为丢手活塞的内环形半径，mm。
现场丢手操作时，需考虑封隔器以下地层压力的影响，地面打液压时要远高于丢手设计压力，为避免高压丢不开手的情况，设计丢手压力应低于10MPa，因此设计的丢手压力8.6 MPa 符合现场施工的安全要求。
2.4.4 密封件优选
对胶筒进行了有限元分析和接触应力影响因素分析［4-5］，并且针对橡胶的高温高压使用条件，研究了10 种橡胶配方在160℃高温条件下的使用性能。通过实验结果分析，以及综合考虑拉伸强度、断裂伸长率和质量体积变化率，氢化丁腈橡胶H1010-1 的综合性能最好。H1010-1 在160℃高温实验后，肖氏硬度由73 降至65，拉伸强度为12.8 MPa，保持60.3%，断裂伸长率为290%，保持80.1%，质量变化率为19.4%，体积变化率为26.3%。因此，选择氢化丁腈橡胶H1010-1 用作注气封隔器的密封件。
3 室内实验
3.1 地面实验
注气封隔器设计完成后，在地面对工具进行了性能试验：将封隔器下端接丝堵，放置于专用的实验套管中，在封隔器上接头接试压管线，依次打压P1=5、10、15、20 MPa，充分坐封封隔器，然后在试验套管下接头接试压管线，打压P2=40 MPa 验证封隔器胶筒密封能力［6］。然后泄掉压力P2，将上接头管线拆开投入钢球，打压进行丢手。丢手后用油管连接专用捞矛，捞住封隔器的回接筒，然后放至拉压试验机进行解封试验，验证解封力大小。实验数据见表1，实验参数与设计参数的差别在允许的误差范围之内，符合设计要求。
3.2 井下模拟实验
封隔器性能指标经过验证后，对整个注气丢手管柱进行了井下模拟实验，管柱结构如图5 所示。将管柱组装完毕后，下入地面试验井中，将封隔器打压坐封，下压管柱进一步压缩胶筒，再打掉注气止回阀的滑套，投球丢手后起出上部管柱，再下入注气密封插管进行回接密封，正打压，验证封隔器胶筒以及整个管柱的密封性。起出注气管柱，下入捞矛，捞住封隔器回接筒，将整个管柱解封起出试验井。
通过井下模拟试验，可以验证整个注气管柱的坐封、丢手动作良好，密封性能可靠，解封顺利，技术指标达到了设计要求，可以应用于现场试验。
4 现场应用
高89-1 区块为西南高、东北低的单斜构造，地层倾角为5~8°，内部发育为部分小断层。储层以粉砂质细砂岩为主，平均孔隙度为13.1%，平均渗透率为2.1×10-3 μm2，为低孔特低渗储层。
由于储层渗透率低、油层条件复杂，该区块大部分井采取大规模压裂投产，近井区压力释放快，产量递减快，若不采取补充能量方式，弹性开采最终采收率仅8.9%。由于该区块井距大、渗透率低，注水开发难度大，经过多方面调研论证，决定在该区块开展注CO2 驱油先导试验，实施情况见表2。
复合坐封式注气封隔器在高89-1 区块应用4口井，注入方式采取液态CO2 连续注入，单井日注入量20 t；注入过程中根据现场实际情况及地质要求对注入量进行调整，其中高89-5 井由于注气压力高而停注，其他3 口井经过半年连续注气，套管环空压力平均上升1.5 MPa。注气封隔器及留井管柱全部采用不锈钢材质，能有效避免CO2 引起的腐蚀问题，满足现场注气工艺要求。
5 结论
（1）采用双作用坐封机构的复合坐封式注气封隔器，能有效解决液压坐封力不足的问题，强化封隔器密封件的压实程度，提高了密封油套环空的能力。
（2）封隔器能实现液压或机械双重丢手功能，保证丢手动作的可靠性，并可以与注气密封插管配合实现回接密封，简化了注CO2 的工艺管柱。
（3）通过室内及现场试验，采用不锈钢材质和耐高温橡胶材料设计的封隔器密封有效期长，抗腐蚀能力高，能满足深井及高温井的高压注气条件，为注气驱油技术奠定了基础，应用前景广阔。
参考文献
［1］ 江汉石油管理局采油工艺研究所. 封隔器理论基础与应用［M］. 北京：石油工业出版社，1983.
［2］ 王志坚，邓卫东，林忠超，等. 水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：78-81.
［3］ 刘永辉，付建红，林元华，等. 封隔器胶筒结构参数优化分析［J］. 机械工程师，2007，（7）：66-67.
［4］ 刘永辉，付建红，林元华，等. 封隔器胶筒密封性能有限元分析［J］. 石油矿场机械，2007，36（9）：38-41.
［5］ 伍开松，朱铁军，侯万勇，等. 胶筒系统接触有限元优化设计［J］. 西南石油学院学报，2006，28（6）：88-90.
［6］ 王当芳，黄兆芝，李敏，等. 压缩式封隔器胶筒密封性能的试验研究［J］. 石油机械，1990，28（4）：24-31.
（修改稿收到日期 2015-03-06）
〔编辑 李春燕〕
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