JDY341X-110大斜度井注水封隔器的研制和应用王海全;肖国华;张昊【摘要】In order to solve the problems that it is difficult to load and remove packer during separated injection process and uneven force and creep deformations on rubber tube of packer in setting sealing and well washing process in highly deviated injection wells in Nanpu oilfield. By analyzing and improving the structure of conventional injection packerY341, adopting the high temperature and high pressure resistant seal components, the improved packer could better meet the work conditions and work requirements of deviated wells and is capable of repeating setting seal. The experiments of laboratory and field showed that the packer could satisfy the demand of high temperature and high pressure injection in highly deviated wells and could realize eccentric quantitative separated injection in extended reach wells with deviation angle between SO and 70 degree.%为了解决南堡油田大斜度注水井在分注作业过程中封隔器起下困难及坐封、洗井过程中封隔器胶筒受力不均、蠕动变形严重的问题,对传统Y341注水封隔器的结构进行了改进,采用抗高温高压密封元件,使封隔器更能满足斜井的工作条件和工作要求,并具备了重复坐封的能力.室内试验和现场试验表明,该封隔器可以满足大斜度井上高温高压注水要求,可在井斜在50° ～70°的斜井上实现偏心定量分注.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2012(034)004【总页数】3页(P119-121)【关键词】大斜度井;封隔器;重复坐封;分层注水【作者】王海全;肖国华;张昊【作者单位】冀东油田钻采工艺研究院,河北唐山 063004;冀东油田钻采工艺研究院,河北唐山 063004;冀东油田钻采工艺研究院,河北唐山 063004【正文语种】中文【中图分类】TE934+.1冀东南堡油田有注水井83口，其中分注井56口。
注水井特点为大斜度、大位移、长井段，井型主要为3~5段制以及水平井，井斜大于40°占53%；水平位移1~2 km的注水井占32%，水平位移大于2 km的注水井占11%，目前采用的分注方式主要为偏心定量分注，平均注水压力13.5 MPa，最高注水压力24.5 MPa。
水井分注时遇到了以下问题［1］：（1）管柱不能居中，封隔器胶筒受力不均，影响其密封效果和工作寿命；（2）由于井斜的影响，封隔器起下困难，偏磨严重，地面作业设备负荷增大，作用在管柱上的有效负荷降低，随着斜度增加，封隔器中途坐封、后期作业时起不出的几率都大幅度增加；（3）由于井深和高压（＆gt;20 MPa）注水［2-3］的影响，封隔器胶筒耐温和承压能力下降，工作寿命短；（4）在坐封、洗井、注水等过程中封隔器、管柱蠕动变形严重，封隔器易提前失效。
以上问题导致偏心分注工艺在斜度大于50°的井上基本无法实施。
为此，研发了JDY341X-110大斜度井注水封隔器，并结合管柱上下扶正、锚定工艺，有效解决了大斜度井上封隔器起下及高温高压注水工作寿命短的难题。
1 结构JDY341X注水封隔器结构如图1，主要由坐封、锁定、解封和反洗机构构成。
坐封机构由活塞、连接接头、下接头、上活塞套、下活塞套、下胶筒座、外中心管、胶筒等组成；锁定机构由锁指爪、锁环、锁套等组成；解封机构由上接头、上外套、中心管、解封剪钉等组成；反洗机构由反洗套、外中心管、中心管、反洗活塞套、密封盘根、弹簧、上活塞套等组成。
图1 JDY341X-110注水封隔器结构示意图2 工作原理2.1 坐封和锁定油管打压，液体经连接接头下部的进液孔进入由下接头、连接接头、下活塞套和活塞共同构成的腔室内，推动活塞带动下活塞套剪断下部的坐封剪钉，并与上活塞套、下胶筒座、外中心管和锁套一起向上运动，这时下胶筒座开始压缩胶筒，并带动垫环、弹簧、反洗塞套、密封盘根等一起上行。
压缩胶筒一定距离后，锁套与上部的锁环接触，并与之咬合，由于锁套与锁环特殊角度的扣型设计，锁套上行与锁环咬合容易，退出难，加之锁环套在锁指爪上，锁指爪在中心管台阶的支撑下撑开锁环，使锁套与锁环脱离咬合更无可能。
锁套继续上行，与锁环咬合，下胶筒座继续压缩胶筒，直到胶筒与套管内壁接触，胶筒膨胀到不能膨胀为止，完成封隔器的坐封和锁定。
2.2 解封上提油管，上接头带动上外套首先剪断解封剪钉，然后带动中心管一起上行，中心管上行一定距离，锁指爪与中心管下部较细台阶接触，锁指爪失去支撑，锁环也就失去支撑，因锁指爪和锁环都是有弹性的，在弹性作用下它们要恢复原状，外径会变小，于是在胶筒回弹力作用下，锁环与锁套脱离咬合，从而实现解锁。
解锁后，胶筒要持续恢复原状，外径变小，脱离与套管壁的接触，同时，在回弹力作用下它将带动锁套、外中心管、下胶筒座、上活塞套、下活塞套、活塞下行一段距离，实现封隔器的解封。
2.3 重复坐封由于以上解封过程使锁套和锁环脱离，在胶筒回弹力作用下，封隔器基本恢复到未坐封之前的状态，如果此时再次打压坐封，活塞将带动全套坐封及锁定机构一起上行（在此过程中，锁指爪内部的缓坡与中心管台阶的缓坡接触，在活塞推动下通过缓坡爬上中心管较粗的台阶，实现锁指爪对锁环的支撑），当锁指爪上端与上接头接触并顶死锁指爪后，下胶筒座开始压缩胶筒，重复之前的坐封和锁定过程，完成封隔器的二次坐封。
2.4 反洗来自上部的洗井液经反洗套、外中心管的进液孔进入由中心管与外中心管构成的反洗通道，在洗井压力作用下克服弹簧弹力，推开下部的反洗活塞套，经上活塞套上部的排液孔流出，并逐级通过下级封隔器的反洗阀从油管下部的单流阀进入油管，从而实现越过封隔器对井筒的反洗。
停止反洗时，反洗活塞套在弹簧弹力作用下自动关闭。
注水时，油管内的注水压力较高，此压力从内部向上作用在反洗活塞套上，而经上下级配水器喷出的注入水压力较低，上层加下层的注水压力从外部向下作用在反洗活塞套上，二者抵消一部分，最终使反洗活塞套受到一个向上的压力，此压力保证了在注水过程中反洗活塞套始终保持关闭状态。
3 技术特点（1）该封隔器胶筒采用耐高温高压的橡胶材料，使其可承受120 ℃的井温和最高35 MPa的压差。
（2）封隔器解封后可以重复坐封，改写了Y341注水封隔器只能坐封一次的历史，保证了注水管柱一次下井施工的成功率。
（3）封隔器防中途坐封压力达到了9.5 MPa，可以有效防止封隔器在下井过程因冲击和碰撞导致的提前坐封。
（4）封隔器胶筒两端装有紫铜的保护碗，具有“防突”作用［4］，在胶筒受压膨胀完成初封之后，可阻止胶筒向钢体和套管之间的间隙“流动”，同时，保护碗在涨开过程中被压平，对胶筒起保护和扶正作用。
（5）较之传统的Y341封隔器，该封隔器长度更短，外径更小，上接头和防撞环上皆设计有导向结构，增大了在斜井内的通过能力（尤其是拐点处），因此，也适用于套变套损井。
（6）反洗压力低，反洗阀只需1.5 MPa即可打开，最大反洗井排量达30 m3/h，可实现大排量反洗。
4 技术指标总长1.325 m；钢体最大外径110 mm；通径48 mm；最大坐封压力13 MPa；工作压差≤35 MPa；反洗压力1.5 MPa；最大反洗井排量30 m3/h；两端连接螺纹2-7/8" UPTBG；适用套管内径121~127 mm。
5 室内试验该封隔器设计完成后加工了样机，在模拟井内进行了强度、耐温、耐压、密封性等试验，试验步骤如下：（1）在120 ℃模拟井温条件下，进行打压坐封及中心管保压条件下的上下腔打压试验，测定坐封销钉的剪断压力、各压力值对应的压缩距、封隔器密封性能及承上下压能力；（2）进行反洗井试验，验证反洗阀启闭是否灵活，测定反洗阀开启压力；（3）上提油管进行解封试验，验证封隔器是否可以灵活解封，测定解封力；（4）如果解封成功继续进行重复坐封试验，验证封隔器的二次坐封能力及密封性。
试验过程中，步骤1和2进展顺利，但在进行解封试验时发现封隔器解封困难，分析认为是锁指爪和锁环壁厚过大，导致锁指爪和锁环弹性不足，造成中心管下部较细台阶到达锁指爪位置时，不能与中心管下部较细台阶接触，而以本身的刚度足以对锁环起到支撑作用，致使锁环与锁套不能脱离咬合而解锁，针对以上问题，对锁指爪与锁环壁厚进行了减薄处理，并改进了它们之间的配合结构，重新加工后，再次进行打压坐封、解封试验，试验一次坐封、解封成功，解封力2.6 kN，为了进一步验证封隔器解封的可靠性，又连续进行了3次坐封、解封试验，试验表明封隔器均能灵活解封，平均解封力2.57 kN。
完成解封试验后，又进行了2次重复坐封试验（打压13 MPa），验证封隔器的重复坐封能力。
试验表明封隔器重复坐封后密封性能良好，承上下压能力能达到35 MPa左右，在完成全部试验后，上提油管，封隔器均顺利解封，平均解封力2.52 kN。
室内试验表明，该封隔器各部件及胶筒密封性能良好，锁定、解封、反洗及重复坐封功能可靠，在35 MPa压力下稳压10 min，无渗漏；防坐封销钉剪断压力9.55 MPa，最大压缩距83.7 mm，其他参数都达到技术指标。
6 现场试验2011年4月至9月，在南堡油田的4口分注井上进行了现场试验，4口井封隔器均一次坐封成功，验封合格，试验情况如表1所示。
试验井最大井斜56.33°，最大井深3 973.09 m，最高注水压力23.5 MPa，最高井温112.2°，现场应用表明封隔器密封良好，其中有3口井依照洗井制度进行了反洗井，反洗阀启闭灵活，反洗功能正常。