冲砂分流封隔器结构设计及分析

王利军，邢洪宪，李清涛，张云驰，王世强(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

冲砂分流封隔器结构设计及分析

王利军，邢洪宪，李清涛，张云驰，王世强
(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

油井出砂是油田开采中后期常见的问题，出砂后不仅会磨蚀井下设备，也会砂埋油层，造成油井停产，危害极大。针对目前常规冲砂技术具有皮碗磨损严重，作业管柱摩阻大等问题，研制了一种可应用于冲砂洗井作业的分流封隔器，并从结构设计、工作原理及密封性能等方面进行了分析。该工具自身设计分流通道，满足正、反循环要求，且皮碗可多次收缩、张开，能够有效降低管柱摩阻，减少作业风险，应用前景广阔。

封隔器；冲砂；分流；皮碗

随着油田开采进入中后期，油井出砂已经成为比较常见的问题，出砂后不仅会磨蚀井下设备，也会砂埋油层，直接影响到油井的原油产量，危害极大。在完井及修井作业期间，刮管冲砂作业作为基础性作业步骤，是确保后续作业步骤正常进行的关键[1-4]。采取合适的刮管冲砂工艺技术及工具，不但能够提高作业质量，避免后续作业中复杂情况甚至井下事故的发生，而且能够提高整个完井及修井作业阶段的作业效率，缩短作业周期，降低作业成本。冲砂配套封隔器作为整个工艺技术中的关键工具，在作业工序中起到十分重要的作用。

1 技术现状

目前冲砂洗井作业中多采用自封式封隔器[5-7]，该封隔器可适用于验封、冲砂洗井等作业，主要由密封皮碗及中心轴组成，结构简单。其皮碗外径大于套管内径，靠皮碗与套管的过盈配合来实现密封。由于皮碗外径尺寸大于套管内径，下井过程中皮碗外缘会紧贴套管内壁下滑，如遇井壁破损或毛刺极易损坏皮碗，造成密封不严，影响作业效果。另外，由于皮碗始终处于张开状态，起下作业管柱过程中，会加大管柱上提的摩阻，如果遇携砂液回落等问题，则有砂卡管柱的风险。自封式封隔器皮碗磨损如图1所示。

a 双皮碗封隔器磨损

b 单皮碗封隔器磨损

2 分流封隔器设计

2.1 工作原理

分流封隔器可应用于刮管、验封及冲砂洗井等作业。下井时，封隔器皮碗外径小于套管内径，随管柱下入到位后管柱内部憋压，皮碗张开，贴紧套管内壁，密封套管环空。该封隔器自身设计循环通道，冲砂洗井等作业时可满足正、反循环作业要求。作业结束后，管柱内继续憋压，封隔器皮碗即可收回，收回后外径小于套管内径，管柱动作时可减小摩阻。皮碗动作机构采取转向轨道方式设计，皮碗张开、收缩稳定可靠，能够反复多次动作。该封隔器可有效提高冲砂洗井效率，降低作业风险。

2.2 结构

分流封隔器主要由上接头、中心管、滑轨套、复位弹簧、内衬套、推筒、导向销、皮碗等组成，如图2。皮碗直接硫化到皮碗座上面，通过螺纹与滑轨套相连接。中心管与上接头相连，起密封及连接作用。通过管柱内憋压，可使导向销在滑轨套上沿导向槽上下滑动，从而带动推筒上行或下移，推筒下移时撑开皮碗，密封套管环空，推筒上移时，皮碗自动收回。复位弹簧通过弹簧套与推筒连接，可对推筒的上行起到一定的辅助作用。轨道整周布置，能够实现皮碗多次张开、收回。内衬套连接在中心管与滑轨套之间，设计有流道孔，可使该工具满足正、反循环作业要求。

a 分流封隔器结构

b 内流道剖面

c 滑轨套上导向槽展开图

2.3 技术特点

1) 与目前常规皮碗自封式封隔器相比，作业管柱起、下井时，封隔器皮碗外径小于套管内径，有效减小摩阻，降低作业风险。管柱到位后，管柱内憋压皮碗即可张开，紧贴套管内壁，密封套管环空。

2) 分流封隔器采取双层通道结构设计，自身设计有循环通道，下井后能够建立管柱内外循环，可满足现场正、反循环等多种作业要求，能够适用于冲砂洗井、验封等作业。

3 皮碗性能分析[8-10]

3.1 优化分析

分流封隔器皮碗起、下井过程中，皮碗外径小于套管内径，这样可有效减小皮碗自己的磨损及管柱动作的磨阻。使用过程中，皮碗会由推筒撑开，紧贴套管内壁，密封套管环空。皮碗在使用过程中会受推筒及套管两方面作用力，结构设计会直接影响其密封性能。经过优化设计，选取皮碗材料为氢化丁晴橡胶，外径216 mm，内径184 mm，推筒外径188 mm。模拟皮碗工作状态，对皮碗进行应力分析验证。当推筒下行预定距离，环空加压20 MPa时，皮碗外壁紧贴套管，且接触面积大，应力分布均匀，分析如图3所示。

a 皮碗接触应力分布

b 加压工作时皮碗最大应力分布

3.2 皮碗试验

为验证皮碗密封性能，确定皮碗最终尺寸后，对所加工的皮碗进行了密封试验。试验步骤如下：

1) 将皮碗、密封光杆、试验套管等按照图4试验工装组装。试验现场如图5。

2) 试验工装左侧密封光杆连接液压管线，加压使推筒下移，撑开皮碗，锁定推筒。

3) 由密封试压接头往套管环空内加压，测试皮碗密封性能。

1— 密封光杆；2—密封试压接头；3—244.5 mm(9英寸)套管；4—试验工装。图4 皮碗密封试验工装

图5 皮碗密封试验现场

根据试验步骤，在室温条件下分别对皮碗进行了3次密封试验，密封性能均满足设计要求。密封试验结束后，将皮碗收回，工装由试验套管中取出，检测发现皮碗未见明显磨损。试验数据如表1。

表1 皮碗密封试验数据

4 结论

1) 冲砂洗井作为完井及修井期间的基础性作业步骤，是确保后续作业正常进行的关键。采取合适工艺技术，能提高作业质量及效率，可有效降低作业风险。

2) 分流封隔器可有效密封油套环空。自身设计有循环通道，能够适用于冲砂洗井、验封等作业。

3) 分流封隔器结构简单、操作方便、制造成本低，可有效提高作业效率，降低完井及修井作业中事故发生的概率，应用前景良好。

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Structure Design and Analysis of Split Packer

WANG Lijun，XING Hongxian，LI Qingtao，ZHANG Yunchi，WANG Shiqiang
(EnerTech-Drilling&ProductionCompany，CNOOC，Tianjin300452，China)

Sand production is a common problem in the later stage of oil production，it will not only wear the down hole equipment and also will be buried in oil，causing the oil well production stop.At present，conventional sand flushing technology has some problems，such as serious cup wear，tube has big friction resistance.A shunt packer is introduced in this paper that can be used for sand flushing operations，mainly analysis the structural，working principle，sealing performance and so on.The tool has a split channel to meet the requirements of the positive and reverse circulation.The leather bowl can be contracted and opened for many times，which can effectively reduce the frictional resistance of the pipe column and reduce the risk of operation，has broad application prospects.

packer；sand washing；diverting；cup

2016-11-18

中国海洋石油总公司能源发展股份有限公司科研项目 “刮管冲砂一体化工艺技术研究”(HFXMLZ-GJ2015006)

王利军(1984-)，男，工程师，主要从事海洋石油钻完井工具研发工作，E-mail：wanglj9@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)03-0073-04

TE931.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.016