ZY341型可洗井自验封注水封隔器研制

李志广，闫永维，李风涛，张子佳，李 川

(中国石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280)①

ZY341型可洗井自验封注水封隔器研制

李志广，闫永维，李风涛，张子佳，李 川

(中国石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280)①

为解决注水管柱所用封隔器存在验封困难的问题，研制了ZY341型可洗井自验封封隔器。该封隔器采用液压三级液缸坐封、上提油管解封；内、外中心管采取脱节式设计，解封力小；利用液体不可压缩原理设计的自验封机构可实现管柱内加压验封。试验和应用结果表明，封隔器的工作压差达到25 MPa，配备高温胶筒后耐温可达150 ℃，解封力小于30 kN。可为油田精细化注水作业提供可靠的封隔器。

封隔器；注水；可洗井；自验封

在油田二次采油作业中，分层注水是实现油田长期高产稳产、提高采收率的一项重要手段。其中，偏心分层注水工艺管柱应用较多，其工艺原理是用封隔器将注水层位分开，水力卡瓦锚定管柱，采用钢丝投捞偏心配水器中堵塞器更换水嘴来实现分层配注。然而，分层注水封隔器不具有检验封隔器密封性能的功能，分层注水管柱验封极其困难。目前油田主要采用双通路偏心配水器或投捞测配2种方式进行验封，双通路偏心配水器是通过比较密封段上、下压力来确定封隔器的验封，可信度较低；投捞测配验封耗时长，效率低，成本高，效果不理想。为此，研制了一种ZY341型可洗井自验封封隔器，既能实现可洗井功能，又可实现自验封功能。

1 技术分析

1.1 结构[1-2]

ZY341型可洗井自验封封隔器主要由主体连接机构、自验封机构、洗井机构、锁紧解封机构、液压机构和坐封机构6部分组成，如图1。

1—上接头；2—O形密封胶圈；3—内中心管；4—销钉；5—洗井阀套；6—O形密封胶圈；7—弹簧；8—弹簧座；9—洗井阀塞；10—O形密封胶圈；11—O形密封胶圈；12—胶筒上接头；13—O形密封胶圈；14—外中心管；15—胶筒；16—压胶塞；17—O形密封胶圈；18—试封套；19—销钉；20—焊接挡块；21—O形密封胶圈；22—胶圈挡环；23—活塞；24—压帽；25—O形密封胶圈；26—锁套；27—分瓣爪；28—销钉；29—O形密封胶圈；30—解封套；31—销钉；32—固定环；33—变扣；34—O形密封胶圈；35—液缸套Ⅰ；36—活塞Ⅰ；37—O形胶圈；38—O形胶圈；39—固定活塞；40—O形密封胶圈；41—活塞Ⅱ；42—O形密封胶圈；43—液缸套Ⅱ；44—固定活塞；45—活塞Ⅲ；46—液缸套Ⅲ；47—销钉；48—下接头。

主体连接机构包括上接头、内中心管、固定活塞、下接头，由上至下依次固定连接。

自验封机构的焊接挡块焊接在内中心管中上部凸台，胶圈挡环安装在内中心管中上部圆台处，O形密封胶圈(序号17)安装在胶圈挡环外圆与焊接挡块内圆之间；外中心管安装在内中心管外圆上，压胶塞由胶筒限位安装在外中心管外圆上，试封套安装在外中心管外圆上，上端螺纹与压胶塞连接，并通过销钉固定；活塞由剪钉固定在在试封套外圆上。

洗井机构包括洗井阀套、弹簧、弹簧座、洗井阀塞，由上至下依次安装在内中心管外圆上。弹簧座通过内中心管外圆上部台肩限；洗井阀套下端内螺纹与胶筒上接头外螺纹连接；胶筒上接头内螺纹与外中心管上端外螺纹连接，且用O形胶圏密封。

锁紧解封机构的分瓣爪内螺纹与外中心管下端外螺纹连接，且有销钉固定；解封套安装在内中心管外圆下端的台肩上，由固定环限位；固定环镶套在内中心管外圆下端凹槽处。

液压机构由压帽、锁套、变扣、液缸套Ⅰ、活塞Ⅱ、液缸套Ⅱ、活塞Ⅲ、液缸套Ⅲ组成，依次螺纹连接。压帽通过外中心管下端外圆上的台肩限位；液缸套Ⅲ由销钉与下接头固定；活塞Ⅰ安装在内中心管下端外圆上，用O形胶圈密封，由变扣和固定活塞上下限位。

1.2 工作原理

1) 下井。将ZY341型可洗井自验封封隔器连接在注水管柱中，按设计要求下入注水井预定深度。

2) 坐封与反洗井。在管柱内加压，活塞移动剪断销钉压缩胶筒，在封隔器自锁机构的作用下使胶筒保持压缩状态；需要反洗井时，在环空加压开启反洗井通道。

3) 验封。通过设定安装在活塞的剪钉数量和剪钉直径。确定剪断剪钉使活塞移动所需的压力为17 MPa，若封隔器内加压17 MPa无压降，则密封良好，反之则密封失效。

4) 自验封判别。当ZY341型可洗井自验封封隔器随管柱下井，加压10 MPa坐封后，继续增压至17 MPa，若上、下两套胶筒密封严密，则上、下两胶筒之间存在环形液柱，由于液体的不可压缩特性，活塞不能将验封套的剪钉剪断(如图2)，油套环形空间不能连通，管柱内压降为0，可以判定封隔器胶筒密封良好；若压力增至17 MPa 后，管柱内压力迅速降低(如图3)，可判定封隔器至少一个胶筒密封不严。

图2 胶筒密封的自验封机构示意

图3 胶筒密封失效的自验封机构示意

1.3 主要技术参数

最大外径 ø114 mm

最小内径 ø54 mm

解封力 <30 kN

坐封压力 ≥10 MPa

验封压力 17 MPa

密封压差 25或50 MPa(高温胶筒)

适用温度 ≤120°或≤150°(高温胶筒)

2 密封压力计算

ZY341型可洗井自验封封隔器的密封属于接触密封，接触压力是影响密封性的主要参数之一[3-4]。接触压力为

式中：pk为接触压力(应力)；G为抗剪弹性模量；A1为元件变形后的横截面积；R01为套管的内半径；R0为密封元件的内半径；R1为密封元件的外半径；Δp为密封压差；F0为坐封载荷。

ZY341型可洗井自验封封隔器达到密封所需的最低坐封载荷为

F0≥0.111ΔpA1+GA1×

已知：ZY341型可洗井自验封封隔器A1=7 510.9 mm2，G=1.27 MPa，R01=63.5 mm，R1=57 mm，R0=40.5 mm。

当密封压差Δp为25 MPa时，F0≥30.667 kN。

当密封压差Δp设定为50 MPa(满足高温高压井况)时，F0≥51.51 kN。

即：ZY341型可洗井自验封封隔器达到25 MPa密封压差所需的最低坐封载荷为30.667 kN。考虑封隔器密封元件在坐封中是可以过载的，ZY341型可洗井自验封封隔器由两级液缸提供坐封载荷，每级液缸在10 MPa压力下可提供40 kN坐封载荷，两级液缸提供坐封载荷80 kN。当ZY341型可洗井自验封封隔器需要在高温高压井中使用时，可用三级液缸提供120 kN的坐封载荷，满足高压井况中密封元件50 MPa的密封要求。

3 室内试验

[5-6]

室内试验所用ZY341型可洗井自验封封隔器如图4所示。

图4 ZY341可洗井自验封封隔器

3.1 密封性能与工作压差试验[7]

密封性能试验原理如图5所示。

图5 密封试验原理

1) 将封隔器下端接好丝堵，上端分别依次连接油管、试压管线，放入试验工装内，1号试压泵加压至10 MPa，达到封隔器坐封所需的载荷，稳压5 min后，1号试压泵继续加压至17 MPa，无压降。

2) 封隔器坐封后，2号试压泵加压分别至10、15、20、25 MPa，各稳压3 min，检测其坐封后的密封性能，并记录数据；重新进行第2次试验，记录试验数据。

3) 试验完毕后，将工具归位。

室内试验证明：ZY341型可洗井自验封封隔器能够承受17 MPa的内压无渗漏；同时ZY341型可洗井自验封封隔器能够承受25 MPa的工作压差，胶筒密封性能良好，可满足现场使用要求。

3.2 自验封性能试验

利用图5所示工装检验ZY341型可洗井自验封封隔器的自验封判别性能。将该封隔器其中一个胶筒拆除模拟在井下使用中胶筒不密封，封隔器下接头连接丝堵，上接头分别依次连接油管、试压管线，放入试验工装内，1号试压泵加压至10 MPa，达到封隔器坐封所需的载荷，稳压5 min后，1号试压泵继续加压至17 MPa(验封压力)，工装压力表出现泄压现象，通过该试验方法可验证：该封隔器可通过管柱内加压17 MPa是否泄压判别胶筒的密封状况[8-9]。

4 现场应用[10-11]

ZY341型可洗井自验封封隔器在大港油田应用10余套，现场应用结果表明，封隔器密封性能良好。以港×××注水作业井为例：2014-04，在港×××井下入丝堵、筛管、防吐球座、偏心配聚器、Y341-105型封隔器、油管分离器、偏心配聚器、Y341-114型封隔器、油管分离器、偏心配聚器、ZY341-114型自验封隔器、水井双向锚(如图6)。用1.2 g/cm3卤水对油管正加压2、4、8、10 MPa，分别稳压3 min，无渗漏(合格)；继续加压12、15、17 MPa，分别稳压3 min，与井内管柱连接压力表显示无压降，表明封隔器胶筒密封良好，同时井口套压显示为零。由于ZY341-114型封隔器处于管柱最上面的封隔器，套压显示为零，表明ZY341-114型自验封隔器的胶筒密封良好，与封隔器自验封判别机构得出的结论相同。

图6 港×××井管柱结构

5 结论

1) ZY341型可洗井自验封封隔器既能实现可洗井功能，又可实现自验封功能。

2) 试验和应用结果表明，可洗井自验封封隔器封隔器的工作压差达到25 MPa，配备高温胶筒后耐温可达150 ℃，解封力小于30 kN。可为油田精细化注水作业提供可靠的封隔器。

3) ZY341型可洗井自验封封隔器可通过内部17 MPa压力判别胶筒的密封状况。

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Development of Y341 Self-checked Packer for Well Flushing

LI Zhiguang，YAN Yongwei，LI Fengtao，ZHANG Zijia，LI Chuan

(PetroleumEngineeringInstitute，DagangOilfieldCompany，Tianjin300280，China)

In order to solve the problem of seal-checked in water injection pipe string，the ZY341 self-checked packer for well flushing has been developed，ZY341 packer with three hydraulic fluid cylinder to set can be released by lifting tube.Sealing is safe and reliable，and the outer center tube disjointed style design，the releasing force is small.The self sealing mechanism of packer configuration uses the principle of liquid non compression to realize pressure seal in the pipe string.Results of the test and application show that the working pressure difference of the packer reaches 25 MPa，the packer equipped with high temperature rubber can be resistant temperature 150 ℃，the releasing force is about 30 kN，which provides sealing test reliable packer for refining water injection in oil field.

packer；water injection；well flushing；self-checked

2016-10-16 基金项目：天津市科技计划项目 “多压力系统油层分采技术及配套工具研究与应用”(2012-XJR23010) 作者简介：李志广(1965-)，男，高级工程师，现从事机械采油研究工作，E-mail：yong2002043226@163.com。

1001-3482(2017)02-0058-04

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.013