□ 劉 偉 □ 程占全 □ 王小鵬 □ 周宇平□ 曹 偉 □ 楊 娜 □ 宋修和

1.長(zhǎng)慶油田分公司第七采油廠 西安 710200 2.金湖縣支點(diǎn)石油科技有限責(zé)任公司 江蘇淮安 211616

1 研制背景

伴隨著油田鉆井技術(shù)的進(jìn)步,油層開(kāi)采的深度也逐漸增大。油井的構(gòu)造形式日趨復(fù)雜,產(chǎn)生了深井、超深井、大位移井等。隨著油井投產(chǎn)年份的增加,部分深井、超深井會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的套管腐蝕損傷,套管腐蝕損傷會(huì)提高油井的產(chǎn)油含水率,大大影響油品的質(zhì)量。同時(shí),若套損水與油層水不配伍,在常規(guī)的隔采條件下,會(huì)給產(chǎn)油層帶來(lái)嚴(yán)重的油隙堵塞。套損井治理的主要技術(shù)手段為隔采處理,但一般的隔采技術(shù)在油井惡劣工況下時(shí)效性較短,隔采效果不理想。目前,較多油田工程技術(shù)人員對(duì)封隔器的長(zhǎng)時(shí)效性、深井適應(yīng)性、封堵性能、解封撈出等技術(shù)展開(kāi)研究。馮軍等[1]對(duì)深井封隔器解封撈出過(guò)程中封隔器的卡鉆原因進(jìn)行四點(diǎn)技術(shù)分析,給出解封撈出的合理步驟及作業(yè)建議。陳少奇等[2]將壓縮式封隔器的膠筒分為坐封與坐封后兩種工況,應(yīng)用ANSYS軟件和Yeoh橡膠本構(gòu)模型分析膠筒接觸力學(xué)特征。文獻(xiàn)[3-4]分別對(duì)封隔器卡瓦的長(zhǎng)時(shí)效性進(jìn)行力學(xué)分析,對(duì)卡瓦錨定,以及卡瓦的力學(xué)機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)。徐新華等[5]通過(guò)對(duì)常規(guī)擴(kuò)張式封隔器、雙向錨定水力錨及丟手工具的結(jié)構(gòu)改進(jìn),優(yōu)化設(shè)計(jì)出適用于φ114.3 mm套管的小直徑擴(kuò)張式封隔器多級(jí)壓裂管柱。Zhang等[6]對(duì)擴(kuò)張式封隔器中尼龍簾布橡膠制造的膠筒進(jìn)行參數(shù)性能優(yōu)化,優(yōu)化后膠筒擴(kuò)張性能提升25%,可以承壓70 MPa,密封壓力達(dá)到50 MPa。文獻(xiàn)[7-10]針對(duì)如何防止套損井隔采中套損水對(duì)油層的影響,提出了具有防倒灌功能的隔采封隔器,對(duì)封隔器的技術(shù)原理及參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。

針對(duì)現(xiàn)有長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器存在的后期解封、打撈難度大等問(wèn)題,筆者進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,設(shè)計(jì)出能夠滿足工況要求的深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.上接頭;2.上鎖塊;3.外活塞;4.內(nèi)活塞;5.分瓣推套;6.中心管;7.護(hù)套;8.坐封并帽;9.鎖套;10.打撈接頭;11.解封鎖塊;12.鎖環(huán);13.鎖環(huán)座;14.連接頭;15.膠筒座;16.壓縮式膠筒;17.隔環(huán);18.外中心管;19.上錐體;20.雙向卡瓦;21.下錐體;22.解封頭;23.定位鎖塊;24.閥座;25.單向閥;26.彈簧座;27.球座;28.彈簧;29.擴(kuò)張式膠筒;30.限位座;31.活塞套;32.滑套;33.滑套彈簧;34.下接頭;35.滑套開(kāi)關(guān)▲圖1 深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器結(jié)構(gòu)

深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器采用壓縮式膠筒和擴(kuò)張式膠筒構(gòu)建復(fù)合密封結(jié)構(gòu)。在管柱高壓工況下,壓縮密封和擴(kuò)張密封同時(shí)啟動(dòng)。復(fù)合密封具備雙重密封功能,能有效提升深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器的密封效果,實(shí)現(xiàn)對(duì)套損水的封堵。在深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器中,采用雙向卡瓦作為錨定零件。雙向卡瓦為圓柱形鋼制件,在圓柱面上交錯(cuò)割縫,以達(dá)到卡瓦擴(kuò)張錨定的目的。雙向卡瓦可以承受上下兩端的軸向作用力及錨定管柱徑向振動(dòng),能夠使隔采封隔器達(dá)到長(zhǎng)時(shí)效。

3 工作原理

深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器的工作過(guò)程包括管柱高壓?jiǎn)?dòng)、膠筒密封、卡瓦錨定、解封撈出等步驟。將深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器配備的管柱下入油井的設(shè)計(jì)位置,向管柱內(nèi)腔投入Sφ25 mm鋼球,鋼球材質(zhì)為316LN。由地面高壓泵注設(shè)備向管柱內(nèi)腔泵注流體,投入鋼球后泵注的流體在管柱內(nèi)腔中形成高壓流體。高壓流體在內(nèi)腔中分為兩路流動(dòng)。一路流體沿中心管的過(guò)流孔經(jīng)單向閥進(jìn)入擴(kuò)張式膠筒的環(huán)形空腔,擴(kuò)張式膠筒在高壓流體的作用下發(fā)生膨脹變形,套管內(nèi)徑擴(kuò)張到大于φ139.7 mm,達(dá)到密封目的。擴(kuò)張式膠筒在單向閥的作用下不能收縮回彈,保持?jǐn)U張狀態(tài)。另一路流體在泵注流體的持續(xù)加壓下對(duì)外活塞截面形成推力,在推力的作用下,外活塞帶動(dòng)分瓣推套及鎖套滑動(dòng)擠壓壓縮式膠筒。在泵注高壓的持續(xù)加壓下,膠筒壓縮變形的外徑同樣擴(kuò)張到φ139.7 mm。壓縮式膠筒在鎖套和鎖環(huán)的作用下不能回彈,保持壓縮擴(kuò)張狀態(tài),從而與擴(kuò)張式膠筒形成復(fù)合密封。雙向卡瓦在泵注壓力持續(xù)加壓下,上錐體和下錐體軸向滑動(dòng),沿徑向擴(kuò)張,在套管內(nèi)壁上錨定深井長(zhǎng)效隔采封隔器及管柱。按照設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,泵注壓力需逐漸增大,具體為3 MPa、6 MPa、9 MPa、12 MPa、15 MPa、18 MPa、21 Mpa、25 MPa、28 MPa。在壓力逐漸增大的過(guò)程中,深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器的各部件按照設(shè)計(jì)要求完成動(dòng)作,直至球座在高壓流體形成的作用力下剪斷固定的銷釘,并與深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器分離脫落。深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器技術(shù)參數(shù)

4 油井作業(yè)方法

深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器在油井中作業(yè),目的是隔斷套管腐蝕損傷處產(chǎn)生的套損水混入油層及對(duì)應(yīng)的套管段。通常依據(jù)套損點(diǎn)和油層的相對(duì)位置來(lái)確定深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器的封堵形式。封堵形式有封上采下和封下采上,兩者配備的管柱均相同,只是在完井作業(yè)時(shí)管柱下放的位置有所不同。

深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器下井過(guò)程分為四步。

(1) 常壓下送封生產(chǎn)一體化管柱。在抗阻卡機(jī)構(gòu)的作用下,套管的輕微機(jī)械卡阻不會(huì)導(dǎo)致深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器啟動(dòng)。

(2) 坐封。油管下循環(huán)去除油管內(nèi)的機(jī)械雜質(zhì),防止因雜質(zhì)原因?qū)е虑蜃幻芊?。投球后油管正加壓至坐封丟脫深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器,繼續(xù)加壓至球座脫落。坐封過(guò)程結(jié)束后,直接下抽油桿柱撞擊過(guò)泵傳壓工具,即可投入生產(chǎn)。

(3) 采下層。中心插管連接于管柱底部,中心插管插入深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器內(nèi)腔,并下壓20 kN～40 kN負(fù)荷?；组_(kāi)關(guān)開(kāi)啟,下部采油層經(jīng)滑套開(kāi)關(guān)與中心插管、抽油泵溝通,建立下部采油層進(jìn)液通道,上部采油層被封堵。

(4) 采上層。中心插管連接于管柱底部,中心插管與深井長(zhǎng)效隔采封隔器內(nèi)腔分離?；组_(kāi)關(guān)在彈簧作用下復(fù)位關(guān)閉,下部采油層被封堵,上部采油層經(jīng)滑套開(kāi)關(guān)與中心插管、抽油泵溝通,建立上部采油層進(jìn)液通道。

主要試劑：蛋白胨和牛肉膏(均購(gòu)置北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司)，十二烷基硫酸鈉(SDS)，NaCl、H2O2、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、溴酚藍(lán)、甘油、甲醇和無(wú)水乙醇(均購(gòu)置天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)，瓊脂(海南省瓊海市長(zhǎng)青瓊脂廠)，丙烯酰胺、過(guò)硫酸氨、甘氨酸(電泳級(jí))、冰乙酸和考馬斯亮藍(lán)(R250)(均購(gòu)置天津博迪化工股份有限公司)，三羥甲基氨基甲烷(Tris，天津市鼎盛鑫化工有限公司)，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺和四甲基乙二胺(TEMED)(均購(gòu)置天津市大茂化學(xué)試劑廠)，Cry1Ac蛋白(純度96%)及其酶聯(lián)免疫試劑盒(上海佑隆生物科技有限公司)。

5 力學(xué)分析

5.1 壓縮式膠筒

壓縮式膠筒是深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器的關(guān)鍵部件。膠筒的制造材料為丁腈橡膠,丁腈橡膠材料在受力作用下呈現(xiàn)出非線性超彈性力學(xué)特性,并表現(xiàn)出大變形狀態(tài)。丁腈橡膠計(jì)算的本構(gòu)方程有Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Moony-Rivlin模型、Yeoh 模型。很多橡膠材料含有炭黑,Gregory[11]對(duì)含炭黑的橡膠材料進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)滿足以下條件時(shí),應(yīng)力應(yīng)變之間存在一定的聯(lián)系:① ?W/?I1遠(yuǎn)大于?W/?I2;② ?W/?I1與I2無(wú)關(guān)。W為應(yīng)變能函數(shù),I1、I2、I3為變形張量不變量。

通過(guò)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)?W/?I1遠(yuǎn)大于?W/?I2,且 ?W/?I2接近于0,所以可以將 ?W/?I2簡(jiǎn)化為 0。

應(yīng)變能函數(shù)的表達(dá)式為:

W=∑Cijk(I1-3)i(I2-3)j(I3-3)k

(1)

式中:Cijk為待確定的材料常數(shù)。

(2)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ3λ1)2

(3)

I3=(λ1λ2λ3)2

(4)

式中:λ1、λ2、λ3為主伸長(zhǎng)比。

如果考慮膠筒的不可壓縮性,則有I3為1,式(1)可簡(jiǎn)化為:

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(5)

式(1)為壓縮式膠筒的力學(xué)本構(gòu)方程。在確定的壓差參數(shù)及膠筒結(jié)構(gòu)尺寸條件下,可以根據(jù)本構(gòu)方程對(duì)膠筒的應(yīng)變進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,考慮到材料的差異性,如是否在膠筒中添加簾布層等因素,需要對(duì)本構(gòu)方程進(jìn)行修正計(jì)算。

5.2 擴(kuò)張式膠筒

擴(kuò)張式膠筒與壓縮式膠筒的區(qū)別在于受力方向不同,擴(kuò)張式膠筒主要受高壓流體徑向作用,迫使膠筒徑向擴(kuò)張,從而達(dá)到增徑密封的效果。擴(kuò)張式膠筒設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目如圖2所示,測(cè)試如圖3所示。

▲圖2 擴(kuò)張式膠筒設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目▲圖3 擴(kuò)張式膠筒測(cè)試

擴(kuò)張式膠筒測(cè)試的主要目的是在模擬油井工況下,對(duì)擴(kuò)張式膠筒的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目進(jìn)行比較分析,從而確定擴(kuò)張式膠筒的設(shè)計(jì)參數(shù)。測(cè)試采用純凈無(wú)雜質(zhì)防銹乳化水,泵注的最高壓力為60 MPa。從測(cè)試結(jié)果看,在60 MPa泵注壓力條件下,影響擴(kuò)張式膠筒的設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目權(quán)重從大到小依次為簾布扭轉(zhuǎn)角、簾布層數(shù)量、簾布節(jié)距、橡膠層厚度、肩角。擴(kuò)張式膠筒受力復(fù)雜,很難通過(guò)超彈性力學(xué)行為表征力學(xué)形態(tài),對(duì)于受內(nèi)壓力徑向膨脹的橡膠力學(xué)損傷模型,構(gòu)建本構(gòu)方程是困難的。目前對(duì)于受高壓作用的擴(kuò)張式膠筒,主要以實(shí)際工況來(lái)標(biāo)定其力學(xué)參數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)油田深井中封隔器使用時(shí)效性短、錨定能力差、無(wú)防套損水倒灌功能等缺點(diǎn),研制了深井長(zhǎng)時(shí)效隔采封隔器,利用壓縮式膠筒和擴(kuò)張式膠筒形成復(fù)合密封,采用圓柱面割縫雙向卡瓦,配備滑套開(kāi)關(guān)防止套損水倒灌,有效提升了隔采封隔器的時(shí)效性、錨定強(qiáng)度,降低了采油含水率。給出了壓縮式膠筒的力學(xué)計(jì)算本構(gòu)方程,指出應(yīng)用于簾布層膠筒時(shí)需對(duì)本構(gòu)方程進(jìn)行修正。通過(guò)對(duì)擴(kuò)張式膠筒測(cè)試,可以確定擴(kuò)張式膠筒的設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目影響權(quán)重從大到小依次為簾布扭轉(zhuǎn)角、簾布層數(shù)量、簾布節(jié)距、橡膠層厚度、肩角。