高温高压深井用液压封隔器研制及试验.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 1 O期 第 3 3页 石油 矿 0 I L FI ELD 场机 械 EQUI PME NT 2 O 1 3 ， 4 2 1 0 3 3 ～ 3 6 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 3 1 0 0 0 3 3 0 4 高温 高压深井 用液 压封 隔器研 制及试验 黄振琼 ， 徐燕 东 ， 杜 春朝 中国石化西北油 田分公 司 工程 技术研究院 ， 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1 摘要 塔河油田在钻探 井和评价井时 ， 机械封隔器和 国产常规液压封 隔器难以满足 高温、 高压 井的 生产和录取地层资料的要求。国外生产的高性能封隔器的订货周期长， 价格 昂贵。因此有必要研 制一种高温、 高压 、 深井用液压封隔器。通过理论计算和现场应用分析 ， 发现影响封隔器的耐温、 耐 压性 能 的关键 点是 胶 筒和 活塞 外 筒 。在 常规 套 管液 压封 隔 器 MC HR封 隔 器 的基 础 上 ， 加 厚 外 芯 轴和 活塞 外 筒并 引进 高性 能胶 筒后 ， 设 计 的新 型封 隔器 可耐 温 2 0 4℃ 、 耐压 差 6 9 MP a 。室 内性 能 评 价 试验 合格 后 ， 现场 应 用 8口井 ， 成 功率 1 0 O ， 可在 酸压 作业 和常规 完井 中推 广应 用 。 关 键 词 封 隔器 ； 高温 ； 高压 ； 试 验 中图 分类 号 TE 9 3 1 ． 2 文 献标 识码 A De v e l o p me nt a nd Fi e l d Te s t o f a Hy d r a u l i c 。 s e t Pa c ke r f o r HPHT De e p W e l l s H UANG Zhe n qi o n g， XU Ya n do ng， DU Chun c ha o En g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g i c a l I n s t i t u t e， No r t h we s t Oi l f i e l d Br a n c h， SI NOPEC， Ur u mq i 8 3 0 0 1 1， C h i n a Ab s t r a c t Fo r me c h a ni c a l s e t c a s i n g pa c ke r a nd d o m e s t i c h yd r a ul i c s e t c a s i n g pa c ke r ， i t i s di f f i c ul t t o m e e t t he r e qu i r e me nt o f d a t a a c q ui s i t i on a nd pr o du c t i o n i n e xt r a d e e p， hi g h pr e s s u r e a n d h i gh t e mp e r a t u r e HPHTe x p l o r a t i o n we l l s ． Th e i mp o r t e d h i g h p e r f o r ma n c e p a c k e r h a s h i g h p r i c e a n d l on g or de r c yc l e ． I t i s n e c e s s a r y t o de v e l o p a n e w hy dr a u l i c s e t pa c ke r f or HPH T de e p we l l s ． Ana l y s i s a nd a ppl i c a t i o n de m o ns t r a t e t he t e m p e r a t u r e a nd pr e s s ur e r e s i s t a nc e o f a p a c k e r i s c on - s t r a i ne d b y r ub be r a nd pi s t o n c yl i n de r ．Ba s e d on a wi d e l y us e d h yd r a ul i c s e t c a s i n g pa c ke r M CHR ， wi t h t h i c k e n e d o u t e r ma n d r e l ， t h i c k e n e d p i s t o n c y l i n d e r a n d h i g h p e r f o r ma n c e r u b b e r ， a n e w t y pe of pa c ke r i s de ve l op e d wi t h t e m p e r a t u r e r a t i n g o f 2 0 4 ℃ a n d p r e s s ur e r a t i ng o f 6 9 M Pa． wh i c h i s v e r i f i e d by l a bo r a t o r y t e s t a nd f i e l d t e s t i n 8 we l l s ． I t i s v a l ua b l e t o po pu l a r i z e i n a c i d f r a c t u r i ng a n d c o nv e nt i on a l c o m p l e t i o n． Ke y wo r d s pa c ke r； hi gh t e mpe r a t ur e； hi g h pr e s s u r e； t e s t 永久式封隔器不能回收， 影响后期作业 ， 在探井 和评价井的使用受到局限。塔河油 田使用的可回收 式 套管 封 隔器 分为 液压 封 隔器 和机 械封 隔器 。随着 勘 探 区块 逐 步 外 拓 ， 目的层埋 深 超 6 0 0 0 m 的井 越 来越多 ， 且普遍具有高温 、 高破裂压力条件 。例如 ， B井区地温梯度 2 ． 4 6 ～2 ． 6 2℃／ 1 0 0 m， 某井在测试 地层破 裂 压 力 时 ， 试 验 压 力 梯 度 2 ． 5 3 MP a ／ 1 0 0 m 仍未见 明显破裂显示 。部分探井酸压后产气 ， 对封 隔器密封的性能要求更严格。目前使用的封隔器存 在 3 方 面 问题 。 1 机械封 隔器难 以满足探评井 测取资料要 求 。封隔器坐封后管柱弯曲， 难 以下人压力计测量 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 8 专利技 术 国家实用新 型专 利“ 一种耐 高压液压封隔器” Z L 2 0 1 1 2 0 2 8 9 9 5 2 ． 1 作者简 介 黄振琼 1 9 8 5 一 ， 男 ， 湖南 人 ， 硕 士 ， 2 0 1 0年 毕业 于 中国石 油大 学 北 京 ， 现 从事 油气 井试 油技 术方 面工 作 ， E ma i l h u a n g z h q ． x b s j s i n o p e c ． c o rn。 石 油 矿场机 械 2 0 1 3年 1 0月 温度和压力 ， 也难以进行生产测井 ， 影响探评井资料 收集和准确评价 。 2 机 械 封 隔 器 难 以满 足 高 温 下 长 期 密 封要 求 。温 度 的升高 加速 了胶筒 密 封失效 的速度n ] 。耐 高 温 2 0 4℃的 R TT S封 隔器 主要 应 用 于地 层测 试 ， 实际在 1 6 0。 C使用 7 d即出现碳化 ， 高温条件下不 能做 为生 产封 隔器 。 3 常规液压封隔器不满足深井高温高破裂压 力条件 。常规液压 封隔器耐 压 5 2 MP a ， 耐温 1 7 7 ℃ ， 对 于井底 温度 高 、 酸压施 工 压力较 高 的奥 陶系储 层 ， 胶筒 耐温 不满 足 要 求 ， 承 压 能 力 不 足 ， 一 旦 酸 压 施工过程中封隔器失效 ， 可能造成井 口、 套管损坏的 严重后果 ， 威胁地面人员和设备安全。 国内完井封隔器 的研发工作起步较晚， 尤其是 适用 于深 井 、 高温 、 高压 环境 下 的完井 封隔 器更 是较 少 ] 。国外的完井封隔器性能优越 ， 但存在订货周 期长 、 价 格 昂贵 的问题 。从 获取 资料要 求 、 施工 安全 和作 业 成本 3个 方 面考 虑 ， 有 必要 自主 研 制 一 种 耐 高温、 高压的套管液压封隔器。 MC HR封 隔器 常 规 套 管 液 压 封 隔 器 是 目前 西部油田使用最为广泛的国产完井封隔器l 3 ] 。基于 多年 来对 MC HR 封 隔器 现 场应 用 的经 验 和理 论 分 析 ， 通过 改进设 计 、 室 内评 价 试 验 和 现场 应 用 ， 研 制 的新型高温高压封隔器取得 良好应用效果 。 1 MC HR型封 隔器 结构及原理 MC HR型封隔器是一种液压式 的可取 式套 管 封隔器 ， 其结构如图 1 所示。依靠液压坐封 ， 可 1个 或多个一起下入井 中。油管下完之后 ， 安装井 口装 置 ， 2个 或 2个 以 上 的封 隔 器 可 被 1次 坐 封 或按 照 设计的秩序依次坐封。坐封封隔器无需移动油管 ， 这就 使得 该井 一 直处 于可控 状态 。 1 一 传压孑 L ； 2 一水力锚 ； 3 一平衡旁通 ； 4 一活塞外筒 ； 5 一 中心管； 6 一胶筒 ； 7 一 卡瓦 ； 8 一 解封销钉 图 1 MC HR型封隔器结构 1 密封系统 由 2种硬度 的 3节胶筒组成 ， 位 于封 隔器 上 的水 力锚 和下 端 卡 瓦 ， 可 承 受 上 下 的 高压 差 。 2 活塞机构 该封隔器的平衡活塞在坐封过 程 中起 到 了重 要 的 作 用 。下 活 塞 向下 移 动 挤 压 胶 筒、 撑开卡瓦坐封在套管上 ， 全部液压力都作用在卡 瓦 和胶筒 上 ， 确保 卡瓦 的锚 定 和胶 筒 的密 封 。棘 轮 锁环装置将锁紧和保持坐封力 ， 确保坐封压力 泄掉 后 ， 卡瓦和胶筒仍有效坐封 。 3 解 封机 构 上 提管 柱 即可 解 封 ， 依 靠 剪 断 预先设定在 内中心管上的剪切销钉 ， 释放油管 ， 继续 上提 油管 完全 释放封 隔器 。解 封机 构 中设计 了压 力 平衡和旁通装置 胶筒衬套下有 1个大孔径 的旁通 阀 ， 使解封更加容易。 2 改进分析 有 限 元 分 析 在 封 隔 器 性 能 评 价 中 有 广 泛 应 用 [ 4 _ 6 _ 。对 MC HR型封 隔器受 力 进行 3 D模 拟 与 有 限元 分析 发现 ， 其耐 压 差 能 力 低 的 薄 弱 环节 为 活 塞 外筒 。活塞外筒抗 内挤强度 5 2 MP a ， 当油管内压力 超过 5 2 MP a后 ， 活塞外 筒将 发 生鼓 胀 变 形 ， 导致 活 塞 间密 封失效 ， 油 套沟 通 。 某低渗井在酸压施工时， 由于地层渗透性较差 ， 施 工压 力过 高 ， 导致 封 隔器 破 裂 。起 出检 查 发 现 活 塞外简有鼓胀现象 。实际井例也可说明 ， 活塞外筒 抗 内压强 度 低 是 导 致 封 隔器 耐 压 差 能 力 低 的 主要 原 因 。 结合理论计算和现场应用情况 ， 针对性地实施 改进 ， 提 高活 塞 外筒 的抗 内压 强 度 。在 不 影 响 封 隔 器 坐封 的情 况 下 ， 将 活 塞 外 径 减 小 3 ． 2 5 mm， 加 厚 了外芯轴 、 活塞外筒 ， 如 图 2 。外 芯轴外径设 计 为 8 5 ． 7 3 mm、 壁厚 4 ． 7 6 mm， 承压能力提高至 8 2 ． 1 4 MP a ； 活塞外筒 外径设计 为 1 3 0 ． 2 mm、 壁厚 8 ． 1 9 mm， 承压 能力 提 高 至 8 3 ． 5 4 MP a 。坐 封 活 塞 面 积 由 7 6 1 3 mm 降低 为 6 9 5 5 mm ， 坐 封 力 由 1 3 ． 8 MP a 提 高至 1 5 ． 2 MP a 。 _ “ C G ■ C l 外 芯轴 ； 2 一 活塞外筒 图 2改进结构 通 过有 限元 分析 如 图 3所 示 ， 在施 加 6 9 MP a 的内压情况下 ， 改进后 的活塞外筒 的变形量最大为 0 ． 2 3 8 5 mm， 且位于活塞外筒 的远端 ， 离 活塞密封 2 0 1 3年 第 4 2卷 第 1 O期 第 3 6 页 石油矿 oI L FI ELD 场机 械 EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 O 0 1 3 4 8 2 2 0 1 3 1 0 0 0 3 6 - 0 4 低矮型不压井作业用环形防喷器研制 岳振玉 胜利油 田分公 司 采油工艺研究 院 ， 山东 东 营 2 5 7 0 0 0 摘要 在不压井作业时， 现有的环形防喷器存在外形尺寸大、 价格昂贵、 不适合在带压作业装置上使 用等问题 。研制 了一种低矮型环形防喷 器。利用有 限元分析方法优化 了胶芯和 壳体的结构和参 数 。该 环 形防喷 器 可密封 0 4 0 ～D 1 7 8 mm 的管 柱 ， 对 于 0 7 3 、 0 8 9 mm 油 管 ， 静 密封 压 力分 别 为 2 1 、 2 5 MP a 。对于 1 4 MP a以内油水井， 该环形防喷器过 0 7 3 ram 2 英寸 油管和 0 8 9 ram 3 英寸 油 管的接 箍 个数分 别 为 7个 和 9个 。满足 带压作 业施 工要 求 。 关键 词 不压 井作 业 ； 环 形 防喷 器 ； 有 限元 中图分类 号 TE 9 3 1 ． 1 文献标 识 码 A 压力计测试 工艺 ， 压力计 下至 6 5 0 0 m， 温压 资料 合 格 。 2 井例二J 1 X井井深 7 2 6 0 m， 下封隔器至 6 9 9 6 ． 6 4 m 井 温 1 4 7℃ 酸压试 油 。最 高施 工泵压 9 1 ． 5 MP a ， 挤 入地层 液 量 9 5 6 ． 7 m。 ， 计 算 封 隔 器 承 受最 大压 差 约 4 0 MP a 。酸 压 施 工后 3 i i l m 油 嘴 无 水生 产 ， 油 压 3 7 ． 1 MP a ， 折 算 日产 油 5 0 t ， 日产 气 1 ．5 X 1 0 m0 表 3封隔器现场应 用情 况统 计 5 结 论 1 现有国产套管封隔器耐温耐压差性能 已不 能完全满足塔河油 田超深、 高温 、 高压油气井中的使 用 要求 。 2 国产 MC HR型封 隔器 目前 在 西部 油 田应 用较 多 。通过 理论 计 算 和 现 场 使用 ， 分 析 其 薄弱 点 为活塞外筒耐压性能和胶筒耐温性能， 设计了新 型 高 温高 压套 管液压 封 隔器 。 3 室 内试 验表 明 ， 新型封 隔 器 的耐温 2 0 4℃ 、 耐 压差 6 9 MP a 。 4 该 封 隔器 可 广 泛 用 于 酸 压 作 业 和 常 规 完 井， 提高作业安全性 ， 准确录取地层资料 ， 并 可直接 投产 。现 场应 用 成 功 率 1 0 0 ， 可 在 塔 河 油 田探 评 井中进一步推广 ， 具有较好的经济效益。 参考文献 E 1 3 陈健 ， 田播 源 ， 刘 玉文． 压缩式 封 隔器 胶筒 失效 因素 分析及措施[ J ] ． 科技资讯 ， 2 O l O 3 1 1 0 3 1 0 6 ． E e l 王强． 试油 排液求 产 中几 种常见 封隔 器泄压 原因 及 应对措施 E J ] ． 油气井测试 ， 2 0 1 1 ， 2 0 6 5 8 5 9 ． [ 3 ] 王峰 ， 汪建伟 ， 韩 国强 ， 等． MC HR液压 封隔 器完 井 管柱在塔 里木 油 田的应 用 [ J ] ． 油气 井 测试 ， 2 0 1 1 ， 2 O 6 5 3 5 4 ． [ 4 ] 吴 建 ， 徐兴平 ， 王龙庭 ， 等 ． 常规高压封隔器 密封胶筒 力学分析l- J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 3 9 4 1 ． E s ] 刘林 ， 陈和平 ， 李永革 ， 等． 水平井分段压 裂封隔器 研 制与封隔性能分析E J ] ． 石油矿场机械， 2 0 1 2 ， 4 1 5 86 88 ． E 6 ] 伍朝东 ， 何祖清 ， 叶 峰 ， 等． 封 隔器工作性能试验研 究 [ J ] ． 石油 矿场 机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 2 3 7 3 8 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 5 基金项 目 中石化股份公 司科技攻关项 目“ 油水井带压作业工艺技术研 究” P 0 8 0 1 5 作者简介 岳振玉 1 9 7 8 一 ， 女 ， 山东潍 坊 人 ， 工 程师 ， 硕 士 研究 生 ， 现从 事 石 油机 械研 究 ， E ma i l y u e z h e n y u l 1 1 1 s o h u