海上油田注水井扩张式封隔器性能评价研究

李良庆， 郭雯霖， 娄超， 张洪楠， 陈磊， 李英松， 时营磊

（1.中海油田服务股份有限公司，天津300459；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司 工程技术作业中心，天津300459）

0 引言

当前随着油田开采难度的增加，采油技术随之快速更新发展。扩张式封隔器在分层注水工艺中是一类大量应用的井下工具[1-2]。但封隔器所处的恶劣环境导致了封隔器服役期普遍较短[3-4]。对扩张式封隔器的结构改进及性能提升是近年来诸多单位研究的重点，在产品投入使用前需要对其各项技术指标进行室内试验[5-8]。针对完井工具的井下模拟试验装置可以很好地指导产品设计[9]，已经成功应用在随钻测量仪、井下耐温胶筒等井下工具的研制中[10]。

建立一套海上油田注水井扩张式封隔器的性能评价方法具有其必要性。根据行业标准与工程经验对扩张式封隔器的环空密封性能、胶筒疲劳性能、防蠕动性能等细分性能参数进行科学评判。不但可对产品的综合性能进行定性也可对后续改进提供定量参考[11]。

本文对测试工具研制及评价方法建立进行了系统阐述。首先进行了扩张式封隔器测试工具的设计，该工具可通过各注压接口的开闭组合达到各项参数指标的试验。其次对测试压力曲线特征进行了解释。最后根据行业标准对扩张式封隔器的技术要求进行总结，并提出了一套性能评价方法。

1 测试工具总体设计

1.1 测试需求分析

针对于封隔器的特性，在其研制过程中需要进行封隔器的坐封与解封性能测试、胶桶疲劳测试、环空密封性能测试等。

根据封隔器测试要求，测试工具需要提供井筒模拟环境，封隔器中心管注压、保压功能，井筒环空注压、保压，以及轴向密封加载等功能。

1.2 试验工装研制

针对以上测试需求，项目组设计了多功能封隔器测试工具。如图1所示，测试工具主要由套管、端盖、背帽、背环及堵头等构成，在主体上设有坐封丝堵、排气口等接头。

试验中由套管与工具上、下密封配合提供井筒内环境。1号试压泵连接封隔器中心管注压通道；2号与3号试压泵连接环空注压通道，分别提供了两个注压方向。在轴向加载测试中通过背帽与背环调节被测工具的轴向位移。

2 评价指标

根据石油天然气钻采设备封隔器规范SY/T 5106-2019中对注水井扩张式封隔器的规定，同时结合行业应用经验提出扩张式封隔器评判指标如下：1）封隔器本体验漏。验漏测试中产品内注压后保持15 min无明显渗漏。2）坐封与解封性能。坐封与解封测试重复15次，每轮坐封稳压20 min。压力值应在设计值±10%区间内。3）胶筒抗疲劳性能。胶筒抗疲劳性能需对封隔器重复15次坐封与解封过程，公称直径为90～115 mm时胶筒残余变形不大于3%，公称直径为140～185 mm时胶筒残余变形不大于4%。外观检查中无脱层、分层及杂质气泡等缺陷。4）环空密封性能。密封性能测试中向封隔器坐封后环空注压并保持15 min且压降小于1%，可认定为合格。

3 性能测试及结果评价

3.1 被测对象

被测扩张式封隔器结构如图2所示，主要由中心管、活塞、胶桶组件、自锁机构、解封机构等组成。

坐封时中心管压力由注压孔进入胶桶内，自锁机构作用后对胶桶保压完成封隔器坐封。解封时压力由封隔器外部泄压孔导入推动活塞时解封机构作用，完成封隔器解封。测试开始前需根据第2节中的“评判指标1）”展开验漏测试，封隔器注压保持15 min后无明显渗漏，结果符合验漏标准。

图2 扩张式封隔器结构示意图

图3 扩张式封隔器测试工具

3.2 坐封与解封测试

1）将被测扩张式封隔器装入测试工具，经中心管注压。分别测试150、500、1000 psi时坐封压力，到达目标压力后保压20 min并记录压力数据。得到如图4所示的坐封压力曲线。重复以上过程15次，经结果分析保压过程中压降小于10%，坐封性能符合评判标准。

2）对扩张式封隔器进行解封测试绘制成解封压力分布散点图。由图5可知，在15次测试中不同坐封压力下的解封压力数值均落在规定数值区间内。解封性能符合评判标准。

图4 坐封压力曲线

图5 解封压力测试

3.3 胶筒疲劳测试

经过15轮次坐封与解封测试后取出封隔器胶桶，检查胶桶外观并测量胶筒外形尺寸。胶桶外形尺寸如表1中所示，外观符合评判指标的要求。由试验结果分析可知，封隔器符合测试评判标准。

3.4 环空密封测试

表1 胶桶疲劳测试数据

对封隔器在150 、500、1000 psi 三 组坐封压力下环空密封性能测试步骤如下：

1）首先测试不同坐封压力下极限环空密封压力：对坐封后环空梯度注压，在出现明显压降后取压降前最大压力作为极限环空密封压力。

2）对不同坐封压力下的环空注入对应的极限环空密封压力，稳压15 min后记录环空压力，图6为测试中不同坐封压力下的环空密封压力。其压降数值小于初始压力值1%，环空密封性能符合评判标准。

图6 环空密封测试压力

4 结论

1）对扩张式封隔器在注水井应用中的特性进行了分析，坐封与解封性能、胶筒抗疲劳性能、封隔器环空密封性能决定封隔器整体工作性能的关键参数。并研制了可对以上参数进行测定的测试工具。

2）针对扩张式封隔器设计了完整测试流程，根据行业标准与工程经验制定了各项测试内容的评价标准。

3）对一款改进后的扩张式封隔器展开了试验，通过该评价试验的封隔器已成功应用于渤海油田50口井次，成功率为100%,平均有效期为36个月，证明了该方法具有可靠性。