耐高温双通道热采封隔器的研制

李 辉，沈 威，陈 平，杜亚军，张卫东，毛庆汝

（1. 中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132；

（2. 中国石化河南油田分公司采油二厂；3.中国石化河南油田基地管理中心应用化工厂）

近年来，热采井氮气隔热助排工艺成为一项新的稠油热采技术，将油套环空注入的氮气与油管环空注入蒸汽混合注入地层，既能较好地起到隔热保护套管的作用，又能提高地层压力、增强油水返排率、提高油井产量、提高开采效率[1–4]。出于油田开采的安全性和环保的需要，常采井均安装有单流装置以防止出现事故或者套管破损时污染环境，然而热采井单流装置无法耐高温高压。为防止出现此类异常情况，需要下入热采保护封隔器，通过封隔器密封油套环空，防止井底压力上涌[5–6]。目前国内缺乏适应注汽过程中间断或连续氮气注入封隔器，因此河南油田研制了一种耐高温双通道热采封隔器。该封隔器既能耐高温高压，又能通过油套环空将氮气从套管注入封隔器以下，并与油管内注入的蒸汽在地层附近接触注入。当井下出现异常停注时，封隔器的注氮气通道将关闭，防止井底压力从油套环空传至井口[7–8]。

1 耐高温双通道热采封隔器设计

1.1 结构组成

该封隔器主要由解封机构、锚定机构、密封机构、坐封锁紧机构、环空注氮单流机构等组成（图1）。

图1 双通道热采封隔器结构示意

（1）解封机构。解封机构由上接头、解封销钉、卡瓦座、中心管、内密封管组成。上接头与中心管通过丝扣连接；卡瓦座与上接头顶紧后，通过提解封销钉限位连接。卡瓦座内部加工有凹槽，与内密封管上端分瓣锁爪的凸台配合；内密封管上端分瓣锁

爪嵌入卡瓦座内部的凹槽内，并通过中心管外侧的中心管凸台贴紧固定内密封管。

（2）锚定机构。锚定机构由卡瓦座、卡瓦、箍簧、锥体组成。卡瓦座下端开有均布的斜向凹槽，卡瓦从内部插入卡瓦座下端的斜向凹槽内，并与卡瓦座的斜向凹槽贴合，一并套装在内密封管上；箍簧卡在卡瓦上的凹槽内，箍紧卡瓦、椎体套装在内密封管上，从下部贴紧锥体。

（3）密封机构。密封机构由密封件、外密封管、压缩环组成。外密封管套装在内密封管上，贴紧锥体；外密封管内部填充有耐高温高压密封材料。密封件套装在外密封管外部；密封件为耐温350℃、耐压20 MPa的密封材料。压缩环套装在外密封外部，并顶紧密封件；压缩环内部充填有耐高温高压密封材料。

（4）坐封锁紧机构。坐封锁紧机构由锁环座、锁环、锁环压帽、活塞锁套、下接头组成。锁环座通过丝扣与内密封管连接；锁环套装在锁环座上；锁环压帽通过丝扣与锁环座连接，将锁环限位在锁环座上。下接头通过丝扣与中心管连接；下接头径向上开有传压孔，轴向上开有单流孔；下接头的加工有与传压通道连通的活塞缸。活塞锁套套装在下接头的活塞缸内部，上端通过锁环座与压缩环之间；活塞锁套内部充填有耐高温高压密封材料；活塞锁套内部加工有齿状锁套扣。

（5）环空注氮单流机构。环空注氮单流机构由单流阀座、单流阀球、弹簧、弹簧罩组成。单流阀座与下接头轴向上的单流孔通过丝扣连接；单流阀球、弹簧先后装入单流阀座内部；弹簧罩通过丝扣与单流阀座连接；弹簧罩顶紧弹簧，弹簧压缩顶紧单流阀球，单流阀球与单流阀座的球座形成线密封。

1.2 工艺原理

（1）座封锚定。管柱下到设计位置后，再通过油管打液压，液压通过下接头径向上的传压孔传递至活塞缸，推动活塞锁套向上移动，活塞锁套推动压缩环、密封件、外密封管上行，并推动锥体楔入卡瓦，使卡瓦沿径向向外撑开箍簧，并支撑套管。当卡瓦支撑套管后，密封件在活塞锁套的推动下压缩密封件，使密封件膨胀密封油套环空。在活塞锁套上行的过程中锁套扣与锁环的螺纹齿逐步啮合，锁紧坐封机构。

（2）注热流体和氮气。当需要注汽时，蒸汽通过中心注汽通道直接注入。氮气通过卡瓦套上部的过流进口进入，再通过内密封管的过流孔，进入内密封管和中心管形成的上过流环空。最后通过下接头的单流孔进入推开单流阀球，从弹簧罩的过流出口再次进入油套环空，注入地层。

（3）承压。当地面出现异常情况，井口闸门失效，油套环空压力下降，双通道封隔器密封，推动卡瓦锚定套管，封隔器密封套管，单流阀球在弹簧及地层压力的作用下向上行，与单流阀座形成密封，关闭油套环空注氮气通道，防止地层原油和污水上返至井口。

（4）解封。需要解封时，上提双通道热采封隔器，卡瓦座在卡瓦与套管的支撑力作用下，使解封销钉受力剪断，上接头、中心管、下接头整体上行，释放内密封管前端的分瓣锁爪，使其可以内收。在胶筒的回弹力和套管摩擦力作用下，推动压缩环下行，压缩环推动活塞锁套下行。活塞锁套与锁环通过螺纹齿啮合锁紧，活塞锁套带动锁环座、锁环、锁环压帽、内密封管一同下行，释放锥体下行，卡瓦内收。

1.3 技术指标

耐温：330℃；耐压差：21 MPa（承下压）；注氮气过流孔：2-φ15 mm；最大外径：φ210 mm；最小内径：φ76 mm；座封压力：24～25 MPa；解封负荷：78～98 kN；连接扣型：31/2 EUTBG；适用套管内径：φ216.8～224.4 mm。

1.4 结构特点

（1）座封机构。设计了液压活塞座封机构和防遇阻销钉、座封销钉等，结构简单、性能可靠，有效保证了密封器正常座封。

（2）锁紧机构。设计为螺纹单向锁紧机构，单方向移动，反方向锁紧，结构紧凑，性能可靠，制造容易。

（3）防回弹机构。设计高弹性碟簧防回弹机构，降低封隔器座封泄压后胶筒的回弹距离，提高密封效果。

（4）锚定机构。封隔器单向受力，因此采用单向卡瓦锥体锚定结构方式，共六片，成60°均匀分布，承压时，下锥体上推卡瓦，将力转移到套管上，实现单向锚定。

（5）主密封机构。以分散柔性石墨为主体、改性聚四氟乙烯胶套为保护套的组合密封件。充分利用了两者的优点。

（6）氮气通道密封。停注过程中，注氮气通道需要解决单流密封和沿程密封问题，采用球形单流阀刚性密封方式，耐高温、密封可靠；沿程密封采取填料石墨密封，能够在高、低温下密封。

（7）解封机构。内密封管通过指型爪凸台嵌在卡瓦座内，指型爪凸台通过中心管凸台支撑，中心管和上接头不动，胶筒、卡瓦无法释放。上接头和卡瓦座通过销钉固定，解封销钉限定解封力大小，解封销钉在座封过程不受力。

（8）防腐。整套装置选用防腐效果较好、耐350℃高温的镍磷镀方法，防腐效果好。

2 试验情况

2.1 室内常温试验

依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6304–1997 《注蒸汽封隔器及井下补偿器技术条件》及 SY/T 5106–1998 油气田用封隔器通用技术条件标准，进行了地面性能试验，并下入试验井进行各种性能的试验测试[9–10]，根据试验数据得出以下结论：

（1）封隔器座封座卡动作灵活无卡阻，整体耐压35 MPa，不渗不漏，钢件不变形。

（2）座封力23～25 MPa，座封距94～97 mm；座卡销钉剪断力量3～4 MPa；

（3）封隔器锚定力超过1 050 kN，锚定可靠，达到设计指标要求。

（4）封隔器承受单向工作压差达到32 MPa，密封性能可靠。

（5）解封性能可靠，解封力80–120 kN，可根据需要调整，达到设计指标要求。

2.2 高温高压试验

（1）高温试验。对于双通道热采封隔器主要进行耐高温性能及在高温下的密封性能（密封胶筒承下压差性能）试验，检验经过高温后降到室内温度下密封是否仍然有效。通过试验得出以下结论：①耐高温332℃，耐压21 MPa；② 经过高温332℃后，回到室内温度下，密封压差达到21 MPa；③ 通过3次“高温332℃–室内”，密封压差达到21 MPa。

（2）单流阀的开启力试验和低温下的密封试验。对于耐高温双通道侧孔单流阀，主要进行了地面单向承压能力、开启关闭灵活性、高低温下密封性能试验。通过试验得出以下结论：① 开启压力小于0.1 MPa，钢体及丝扣无损坏和变形，达到设计指标要求；② 单流阀开启关闭灵活可靠，多次开启关闭后密封耐压35 MPa，达到设计指标要求。

2.3 打压球座的开启力试验

对于打压球座，主要进行了地面单向开启压力稳定性、开启关闭灵活性试验。通过试验得出以下结论：

（1）开启压差24～26 MPa，钢体及丝扣无损坏和变形，达到设计指标要求。

（2）打压球座单流阀反向开启压力0.1 MPa，开启关闭灵活可靠，达到设计指标要求。

3 现场应用情况

该封隔器在渤海一口9–5/8 in 热采井应用，目前已经过了10轮次的蒸汽吞吐。2014年7月8日至 16日，注汽 3 626 t，注汽压力 16.2～19 MPa。2015年8月11日至19日，注汽3 704 t，注汽压力18.6～19 MPa。注汽后放套压至5 MPa，验证封隔器无漏失，达到了耐高温高压的性能要求。

[1] 沈战岭. 稠油热采井筒隔热技术的研究和应用[J]. 石油地质与工程, 2007，21（2）：94–96.

[2] 张志良. 稠油油藏氮气辅助蒸汽吞吐技术研究与应用[J].内蒙古石油化工，2012，19：113–115.

[3] 贾令寒. 稠油油藏注氮气提高采收率技术研究[J]. 中国化工贸易, 2011，11：12–13.

[4] 赵利昌，林涛，孙永涛，等. 氮气隔热在渤海油田热采中的应用研究[J]. 钻采工艺，2013，36（1）：43–45.

[5] 欧阳波，陈书帛，刘东菊，等. 氮气隔热助排技术在稠油开采中的应用[J]. 石油钻采工艺，2003，25：1–3.

[6] 王德有，陈德民，冉杰，等. 氮气隔热助排提高稠油蒸汽吞吐热采效果[J]. 钻采工艺，2001，24（3）：25–28.

[7] 刘欣，陶良军，林景禹，等. 河南稠油油田氮气辅助蒸汽吞吐技术[J]. 石油地质与工程，2008，22（6）：84–86.

[8] 孙景涛，吕瑞典，周锡容. 油田注汽井氮气隔热技术的研究与应用[J]. 重庆科技学院学报，2008，10（5）：19–21.

[9] 曲绍刚. 高温不压井作业工艺技术研究与试验[J]. 石油矿场机械，2006，35（5）：93–95.

[10] 范海涛，曾晓健，赵延茹，等. 稠油热采不压井作业工艺管柱[J]. 石油矿场机械，2008，37（1）：69–72.