孫德啟

(上海優(yōu)強石油科技有限公司，上海 201806)

0 前言

國內油氣資源經(jīng)過幾十年的不斷勘探開發(fā)，新發(fā)現(xiàn)油氣資源的埋藏深度越來越深(深層油氣資源埋藏深度在5 000 m以下)，開采難度越來越大，對完井工具的要求也越來越高，對封隔器的耐溫、耐壓、受力均提出了較高的要求[1-4]。比如塔里木塔中順南區(qū)塊，其高溫、高壓、高比重泥漿等的井下苛刻作業(yè)環(huán)境導致完井工具的穩(wěn)定性大幅度降低，造成封隔器密封失效。另外，為了適應高溫、高壓的需要套管大多是140 KSI以上鋼級，普通封隔器的卡瓦錨定力無法滿足該井況要求，易導致封隔器失去錨定[5-6]。2015年在該區(qū)塊進行了12井次封隔器完井作業(yè)，其中使用了RTTS封隔器2套，CHAMP封隔器6套，SAB-3封隔器3套，其它型號封隔器一套，工藝失效率高達67%。為了滿足此類井下苛刻環(huán)境對完井生產封隔器的使用要求，上海優(yōu)強石油科技有限公司研發(fā)了高溫高壓封隔器，并對工具進行了室內試驗和現(xiàn)場應用。針對高壓、高溫、高鋼級套管井的完井作業(yè)需求，提高完井作業(yè)能力及完井工具的穩(wěn)定性，為高溫高壓井的高效開發(fā)提供技術支撐，結合國內外封隔器現(xiàn)狀，研制了適合塔中井況特點的高溫高壓HSII封隔器。

1 高溫高壓HSII封隔器

1.1 封隔器結構

高溫高壓HSII封隔器為液壓坐封的可回收式封隔器，通過油管對封隔器中心管施加液壓力坐封封隔器，具有雙向卡瓦，能夠承受分別來自封隔器上、下環(huán)空兩個方向的壓差，需要取出封隔器時直接上提管柱解封。

HSII封隔器主要由上接頭、中心管、分瓣環(huán)、擋環(huán)、規(guī)環(huán)、隔環(huán)、膠筒、限位活塞、鎖塊、坐封活塞、液缸、外管、鎖套、O形密封圈、密封擋圈、鎖環(huán)、錐體、卡瓦和下接頭等組成。

圖1 HSII封隔器結構示意圖

1.2 封隔器工作原理

封隔器下井過程中，限位活塞將固定環(huán)固定在外管上的槽內，而固定環(huán)阻擋了液缸向上移動，從而防止了封隔器在下井過程中因摩阻或其它因素導致的提前坐封[7-8]。封隔器下至設計深度后，從油管內施加液壓，液體從封隔器中心管經(jīng)進液孔進入液缸。液壓力向上推動限位活塞剪斷液缸上的剪釘，限位活塞上行后固定環(huán)從外管槽內彈開，解除固定環(huán)對液缸在軸向的約束，液缸向上移動壓縮膠筒，使其徑向膨脹密封油套環(huán)空。同時，液壓力向下推動活塞剪斷鎖套上的剪釘，活塞向下移動，錐體推開卡瓦使之坐卡在套管壁上。封隔器坐封后，鎖環(huán)將封隔器鎖定在坐封狀態(tài)，避免液缸和活塞后退解封。

需要解封時，首先上提管柱，中心管上行，外管下端的分瓣爪失去支撐沿徑向收縮，從而使下錐體與外管脫離。下錐體由于自身重力下落，上下錐體拉開距離，卡瓦在錐體的燕尾槽的作用下強制復位，解除對套管的錨定。膠筒在自身彈力作用下徑向回縮，完成解封。

解封后，中心管相對外管上移，中心管上部的坐封進液孔移至外管之上，封隔器下部高壓流體經(jīng)中心管的進液孔流向封隔器上部，避免因下部高壓導致管柱產生活塞效應被沖出的事故。

1.3 技術參數(shù)

產品規(guī)格 7″×3-1/2″，29～32lb/ft

最大外徑 149.5 mm

最小內徑 76.0 mm

工具長度 1 745 mm

密封件材料 AFLAS

最大工作壓力 70 MPa

最高工作溫度 204 ℃

最小坐封壓力 28 MPa

最大解封載荷 22 t(現(xiàn)場可調)

適用套管鋼級 140 KSI

1.4 封隔器性能

(1)膠筒兩端增加軟金屬護肩，提高封隔器耐壓性能。封隔器的主要密封件是膠筒，工作時由膠筒封隔油套環(huán)空，膠筒的耐溫性能是由所選取的材料決定的[9]，而耐壓性能則與其密封的環(huán)空間隙大小有關。由于橡膠材料強度的限制，膠筒本身的抗剪切強度較低，無法承受較高的壓差。通常情況下，當壓差高于40 MPa時，膠筒就會產生嚴重的肩突現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)撕裂，導致封隔器密封失效。本封隔器在膠筒兩端增加了軟金屬護肩，該護肩具有較高的強度和良好的延展性，坐封時軟金屬護肩隨膠筒產生變形擴張并緊貼套管壁，承載了作用在膠筒上的剪切載荷，有效地防止膠筒產生肩突效應[10-12]，提高封隔器的耐壓性能。

與傳統(tǒng)的護肩相比，軟金屬護肩比銅碗、鋼網(wǎng)、彈簧等結構的護肩具有更高的耐壓性能，比鋼帶、開口膨脹環(huán)、楔形塊(或圈)等結構的護肩更易于從井筒內取出回收[13]，具有承壓高、易于回收的特點。

(2)防提前坐封功能。封隔器在下井過程中，由于操作不當(比如溜鉆、頓鉆等)常會導致封隔器提前坐封；封隔器在通過縮徑、大斜度、狗腿子彎等套管段時產生的摩阻也容易造成封隔器坐封[14]。此封隔器增加了防提前坐封功能，防止因操作不當或封隔器遇阻而導致的提前坐封，降低了工具下井過程中提前坐封的風險。

(3)設有內部旁通，封隔器解封后為下部流體提供泄壓通道，防止出現(xiàn)活塞效應管柱沖出井筒。

(4)該封隔器具有雙向卡瓦，可以承受來自封隔器上、下兩個方向的壓差。

(5)卡瓦具有較高硬度，能夠坐封在140 KSI鋼級的套管中。為了滿足卡瓦能夠在140 KSI鋼級的套管中正常使用，優(yōu)選了卡瓦材料及熱處理工藝，選擇17Cr2Ni2Mo作為卡瓦的材料,17Cr2Ni2Mo是合金結構鋼滲碳鋼，相對于常規(guī)卡瓦材料20CrNiMo，17Cr2Ni2Mo具有高的強度和韌性，硬度可以處理到60HRC左右，比20CrNiMo更高。熱處理采用正火、調質、滲碳、淬火、回火等工藝，將17Cr2Ni2Mo卡瓦齒部表面硬度處理到57～61HRC。淬火后采取二次回火，保證卡瓦齒部不會產生開裂及脆性。

2 室內試驗

封隔器研制完成后首先試制了兩套進行實驗室驗證，試驗溫度180℃，試驗壓差70 MPa，坐封壓力28 MPa。

(1)試驗準備。將組裝好的封隔器兩端連接試壓工裝，送入試驗井筒內，并封堵試驗井筒端蓋，如圖1所示。之后向井筒內注入液壓油，由循環(huán)加熱裝置將井筒內的液壓油加熱至180℃，溫度穩(wěn)定后讓封隔器在熱油中浸泡15 min以上。

圖1 封隔器送入試驗井筒

(2)坐封封隔器。用液壓泵通過中心管施加液壓力坐封封隔器，如圖2所示，坐封壓力約為28 MPa，穩(wěn)壓15 min以上，確保封隔器完成坐封動作，坐封后泄掉中心管內壓力。

圖2 封隔器坐封壓力曲線

(3)上下環(huán)空耐壓試驗。首先對封隔器下部環(huán)空加液壓至約70MPa，待壓力穩(wěn)定后穩(wěn)壓15 min，之后泄掉封隔器下部環(huán)空壓力,如圖3所示；其次，對封隔器上環(huán)空加液壓至約70 MPa，待壓力穩(wěn)定后穩(wěn)壓15 min(見圖4)，之后泄掉封隔器上部環(huán)空壓力,如圖4所示；最后，對中心管施加拉力解封封隔器，并將其取出試驗井筒,如圖5所示。

圖3 封隔器下環(huán)空壓力曲線

圖4 封隔器上環(huán)空壓力曲線

從圖3、圖4的壓力曲線可以看出，封隔器在180℃的溫度下，分別對其上、下環(huán)空施加70 MPa的壓差，試驗過程中壓力曲線平穩(wěn)，沒有竄壓現(xiàn)象，說明封隔器膠筒密封良好、卡瓦錨定性能可靠。

封隔器解封載荷約為27～28 t，較設計解封載荷(22.7 t)略大，考慮到剪釘在剪切時存在10%的偏差以及解封時的摩阻，解封載荷在可接受的范圍之內。

解封后卡瓦未有任何變形及損傷，卡瓦牙完好，如圖6所示。說明卡瓦齒硬度滿足使用要求，在140 ksi鋼級套管內能夠正常工作。

圖6 解封后的卡瓦

解封后的膠筒也完好無損，如圖7所示，只是殘余變形略大，但其不影響封隔器的整體性能。從封隔器解封后膠筒的完整性可以看出，膠筒護肩在封隔器工作期間對膠筒起到了很好的保護作用，達到了設計的預期目的。

圖7 解封后的膠筒

3 現(xiàn)場應用

HSII封隔器于2017年3月底研制成功后，開始在新疆地區(qū)進行現(xiàn)場應用，至今在7寸套管中施工19口井次。

其中，1井次封隔器在坐封后不久密封失效導致作業(yè)失敗，1井次封隔器卡瓦提前坐卡導致作業(yè)失敗，1井次封隔器解封取出后發(fā)現(xiàn)卡瓦斷裂(施工成功)，共有17井次成功完成工藝措施，工藝成功率高達89.5%。

用戶對HSII封隔器的使用效果比較滿意，希望開發(fā)5寸、5-1/2寸、7-5/8寸和7-7/8寸四種規(guī)格的HSII封隔器，目前7-5/8寸和7-7/8寸兩種規(guī)格的HSII封隔器已經(jīng)完成開發(fā)并進入現(xiàn)場應用。

4 存在問題及改進措施

HSII封隔器從試制到現(xiàn)場使用，過程中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些問題，并及時做了整改。

(1)解封載荷偏大。室內試驗發(fā)現(xiàn)解封載荷偏大(27～28 t)，最初分析認為是摩阻造成的；在現(xiàn)場應用中，封隔器在工作數(shù)月后解封時解封載荷增加較大(28～31 t)。后經(jīng)多次試驗分析認為，解封載荷的增加是外管下部分瓣爪的角度(45°)設計不合理造成的，45°角會導致軸向載荷轉換為徑向載荷，使得分瓣爪抱緊中心管，增加了解封載荷。之后把分瓣爪的角度由45°改為了75°，改進后的解封載荷基本在23～26 t之間，偏差控制在了設計載荷的10%合理值之內。

(2)卡瓦斷裂。在現(xiàn)場應用中，有一套封隔器解封取出后發(fā)現(xiàn)卡瓦尾部斷裂，分析認為是卡瓦尾槽設計未加過渡圓弧造成的。之前的尾槽是銑床加工，尾槽因刀具圓角自然形成過渡圓弧；后來尾槽改為線切割，加工出的尾槽沒有過渡圓弧，卡瓦受力時尾槽直角處產生應力集中，從而導致卡瓦在尾槽處斷裂。改進后的卡瓦尾槽增加了過渡圓弧，避免了應力集中，經(jīng)多次試驗，卡瓦尾槽強度能夠滿足使用要求。

(3)封隔器卡瓦提前坐卡。在現(xiàn)場應用中，有一封隔器在下井過程中卡瓦提前坐卡導致作業(yè)失敗。分析認為，防提前坐封機構對推動卡瓦坐卡的活塞約束不夠。在封隔器卡瓦提前坐卡事故后，進一步改進了防提前坐封結構，增加了對活塞運動的約束限制，確?？ㄍ咴诜飧羝飨戮^程中不會提前坐卡。在封隔器改進后又施工了十余口井，無一再次發(fā)生封隔器提前坐卡事故。

5 結束語

(1)該封隔器解決了高溫、高壓、高比重泥漿等復雜井況下工具的穩(wěn)定性差的問題，為復雜井況完井工具的研發(fā)積累了經(jīng)驗。

(2)該封隔器適用于高溫、高壓等復雜井況，以及普通封隔器難以有效錨定的較高鋼級(比如140以上鋼級等)套管中。

(3)軟金屬護肩的使用能夠有效保護膠筒，避免膠筒破損，提高封隔器膠筒的耐壓性能。