高温高压注入封隔器的研制及在河南油田的应用

高 涛，李广志，林 波，李军芳，潘二亮，苗玉礼

（1.中国石化河南油田分公司第一采油厂，河南桐柏474780；2.中国石化河南石油工程有限公司井下作业公司；3.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院 ）

河南油田以前注入封隔器过程中，存在一些问题：一是在注水过程中，由于水质原因需要反洗井，但反洗井后，反洗井阀有的关不上；有的反洗井阀被腐蚀、磨损或密封件脱落导致关闭不严；还有的因洗井通道堵塞反洗不通。二是在对低孔低渗、堵塞污染严重的井进行酸化作业时，因酸化井施工压力高（43 MPa）、施工时间长（10 h以上），出现封隔器密封失效的问题。三是在对3 500 m以下深井进行压裂施工作业时，由于施工压力高（90 MPa）、井温高（139℃），封隔器出现密封失效的问题。因此，开展了高温高压注入封隔器的研制和应用工作，以适应河南油田高温高压多种注入工艺的需要。

图1 Y341－－115封隔器结构示意图

1 Y341－115注入封隔器的结构、工作原理及特点

1.1 注入封隔器设计要求及结构

在注入封隔器结构设计［1－3］时，主要应考虑：一是反洗井阀的打开与关闭应可靠，二是胶筒应耐高压、耐高温；三是活塞坐封面积应大；四是锁紧机构应保险；五是解封机构应用可靠；六是反洗井通道设计科学合理。经反复论证研究，研制了Y341－115型高温高压注入洗井封隔器，其结构组成见图1。

（1）反洗井阀结构。反洗井阀由上洗井阀体、下洗井阀体、复位弹簧、弹簧挡环等部件组成。这种组配方式，在复位弹簧作用下易于关闭；上洗井阀体与下洗井阀体结合密封部分为线接触，这样易于关闭和打开；上洗井阀体与下洗井阀体其材质为特殊材质，并经特殊热处理，具有防腐、防垢和耐磨损等特性；这样在洗井关闭与打开过程中，不存在密封件脱落的问题。

（2）耐高温、高压胶筒结构。在密封胶筒组配中，有三胶筒、单胶筒组配方式。本封隔器采用两胶筒组配方式，主要是采用进口主料和优化配置辅料，并根据不同井温和压力来调整胶筒邵氏硬度的大小，最终提高胶筒耐高温高压能力。

（3）锁紧和解封结构。锁紧结构主要由锁环、锁套、锁环座及坐封销钉组成，首先锁环与锁套易于咬合；锁环材质采用优质弹簧钢，锁环与锁套咬合力（抗滑力）要克服胶筒的回弹力，且要有足够的安全余量；解封结构的坐封销钉剪断力也要克服胶筒的回弹力，且要有安全余量，但其剪断力不易过大，过大了解封负荷也要增加，因此，坐封销钉的大与小十分重要。

（4）反洗井通道结构。反洗井通道结构由内中心管、外中心管、洗井进液孔、洗井出液孔和下洗井阀体组成。内中心管和外中心管之间间隙应在保证其强度情况下而最大化，增加过流面积；洗井进液孔铣成多个细小长缝型，以防止大颗粒杂质进入洗井通道而堵塞，而洗井出液孔采用多个较大圆孔型，有利于及时排除洗井通道的杂质。

1.2 工作原理及特点

（1）坐封原理。向油管打压，当压力升到8 MPa左右时，防中途坐封销钉被剪断，上洗井阀体、下洗井阀体、中钢套、下活塞体、下钢套、锁套一起上行，压缩胶筒，锁环与锁套进行咬合，继续升压到15 MPa时（封隔器坐封活塞面积为100 cm2），这时胶筒承受15 t的压缩力，完成坐封。

（2）解封原理。上体管柱，借助胶筒与套管内壁摩擦力（或过套管接箍）剪断坐封销钉，完成解封。

（3）特点：① 耐温耐高压，压差60 MPa；耐温140℃；②解封可靠，解封负荷≤6 t；③适用范围广，可实现分层压裂、酸化和注水等多种用途施工作业；④用于压裂施工时，中途遇到砂堵现象，可立即进行反洗井，消除砂堵，洗井阀可重新关闭，继续压裂施工；⑤用于酸化时，有防中途坐封机构，能实现正替工艺，使酸液快速到达目的层，提高酸化时效。

2 现场应用

截止到2013年10月底，该注入封隔器在河南油田现场实施了9口井，其中，单层酸化3口井，三层分层压裂2口井，三级四段分层注水4口，工艺成功率100%。压裂井最大井深达3 700 m，泵车施工压力高达90 MPa，最大排量5 m3／min，最高砂比达48%，且管柱安全起出。

用于三层分层压裂时，井下管柱示意图见图2。其组成为：高压水力锚、Y341－115封隔器、滑套喷砂器、底部坐封喷砂器、安全接头等。通过投球打滑套可实现多层分层压裂。压裂工艺过程是：管柱下到设计位置后，先进行反洗井，投φ28 mm钢球，30 min后，缓慢打油压，控制排量在500 L／min左右，并分别在5 MPa、10 MPa、15 MPa各压裂点稳压5 min，完成各级封隔器坐封（封隔器坐封活塞面积为100 cm2），继续升压18～20 MPa左右，有明显压裂突降现象，底部坐封喷砂器与油套连通，此时可开始压裂施工。等该层施工结束后，投φ33 mm钢球打开滑套喷砂器2，滑套和φ33 mm钢球落在下面安全接头里面，且密封，防止压裂液下行。当该层施工结束后，再投φ37 mm钢球，如此下去，完成3层分层压裂。为了保证安全起出管柱，必须做到两点，一是在每层施工结束后，最关键的是要精确计算顶替液量，切忌不可欠顶替；二是在放喷时要控制放喷速度。

图2 三层压裂管柱示意图

用于三级四段分层注水时，井下管柱见图3。其组成为：偏心配水器、Y341－115注入封隔器、减震器、中部球座、筛管及丝堵。其工艺过程是：管柱下到设计位置后，先进行反洗井，缓慢打油压，并分别在5 MPa、10 MPa、15 MPa各压裂点稳压5 min，完成各级注入封隔器坐封，然后坐好注水井口完井，从油管内进行注水，各层根据偏心配水器里水嘴大小实现对各层分层注水。当管柱有堵塞时，可进行反洗井，洗通后可继续注水。

用于单层酸化时，井下管柱见图4。其组成为：高压水力锚、Y341－115注入封隔器、酸化开关及底部坐封器。其工艺过程是：管柱下到设计位置后，先进行反洗井，如果酸化层堵塞严重，挤酸压力高，可根据油管深度正替油管里的液体，投φ28 mm钢球，等钢球到达底部坐封器球座上时，缓慢打油压，并分别在5 MPa、10 MPa、15 MPa各压裂点稳压5 min，完成各级封隔器坐封，继续升压到18～20 MPa左右时，压力突降，油套连通，再投φ32 mm钢球，等钢球到达酸化球座上时，缓慢升压到15 MPa左右时，压力突降，钢球和滑套下行到底部坐封隔器里，且密封，以防酸液下行。此时酸化开关与酸化层连通，这时向油管里挤入酸液，酸液很快就能到达油层，酸化施工完后，可进行反洗井，洗出井筒残酸液，防止二次污染，且有利于下步管柱起出，完成酸化施工过程。

图3 三级四段分层注水管柱示意图

3 结论

（1）河南油田研制的Y341－115封隔器耐温耐压高，可满足深井压裂、酸化等工艺要求。该封隔器工艺成功率高，节约因返工修井作业成本。

（2）封隔器反洗井阀打开与关闭密封可靠，提高注入工艺成功率。

（3）该封隔器可广泛用于压裂、酸化、注水等注入工艺。

图4 单层酸化管柱示意图

［1］ 罗跃纲.材料力学［M］.北京：科学出版社，2004：91－120.

［2］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004：88－90.

［3］ 罗英俊，万仁溥.采油技术手册［M］.北京：石油工业出版社，2005：543－550.