徐鳳廷

（中油遼河油田公司，遼寧 盤錦124011）①

遼河油田高升采油廠雷64塊儲(chǔ)層為中孔、低滲砂巖，平均孔隙度13.7%，平均滲透率21.9×10－3μm2，油層厚度最大達(dá)167.5 m，屬厚層塊狀底水稀油油藏。動(dòng)用含油面積3.27 km2，石油地質(zhì)儲(chǔ)量8.54×106t。經(jīng)過(guò)二十多年的開(kāi)發(fā)，油田進(jìn)入中含水開(kāi)發(fā)階段，產(chǎn)量快速遞減，含水不斷上升，開(kāi)發(fā)指標(biāo)一度下滑。年產(chǎn)油從最高的2.05×105t下降至目前的1.04×105t，含水上升至47%，近2 a綜合、自然遞減率分別在12%和19%以上，并呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)矛盾日益突出。主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是受早期底部注水開(kāi)發(fā)方式制約，重力泄油能力減弱；二是受微裂縫發(fā)育影響，主體部位水竄嚴(yán)重，長(zhǎng)期底部注水導(dǎo)致主體部位有8口井發(fā)生水竄，占注水井總數(shù)的80%。

2012年針對(duì)雷64塊主體部位水竄嚴(yán)重的問(wèn)題，開(kāi)展了頂部注氮?dú)馀c底部注水結(jié)合補(bǔ)充地層能量的試驗(yàn)，以改善區(qū)塊開(kāi)發(fā)效果。但在注氣過(guò)程中，油套環(huán)空采用常規(guī)封隔器密封，封隔器氣密封性能存在缺陷［1－2］，且注氣壓力高達(dá)25 MPa，導(dǎo)致套壓及油壓變化保持一致，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生了一定的安全隱患，影響了注氣效果。對(duì)此，開(kāi)展氣頂驅(qū)專用氣密性封隔器工具型號(hào)及密封件的篩選與室內(nèi)試驗(yàn)，以保證氣頂驅(qū)項(xiàng)目的順利實(shí)施。

1 主要研究?jī)?nèi)容

1.1 封隔器型號(hào)的篩選及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合雷64塊低孔低滲的特點(diǎn)，在進(jìn)行封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮其耐壓能力，且針對(duì)雷64塊巨厚油層的特點(diǎn)，要考慮選層注氣工藝，需保證封隔器具有較強(qiáng)的抗雙向壓差能力。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)及國(guó)外常用封隔器的結(jié)構(gòu)及耐壓情況進(jìn)行分析，最終優(yōu)選了可承受較高雙向壓差的Y521型封隔器作為氣密性封隔器研究的主體方向，各封隔器特點(diǎn)如表1。

表1 不同型號(hào)封隔器性能對(duì)比

常規(guī)Y521型封隔器密封部分無(wú)法滿足氣密封需求，溝槽尺寸、公差和密封圈均按水壓密封設(shè)計(jì)，在高壓注氣環(huán)境中應(yīng)用效果不佳，密封圈成為短板，整體耐壓性差，使用過(guò)程中因加工問(wèn)題可能存在漏失點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，改進(jìn)的Y521型氣密性封隔器（如圖1）在借鑒了原有封隔器的雙向卡瓦及坐封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)，減少了密封圈數(shù)量，降低封隔器整體漏失概率［3］。封隔器主要由上錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、下錨定機(jī)構(gòu)、坐封機(jī)構(gòu)等組成，具有較好的承壓性及穩(wěn)定性，避免了在高壓狀態(tài)下管柱的蠕動(dòng)。

圖1 Y521型氣密性封隔器結(jié)構(gòu)

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)封隔器的密封部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，針對(duì)氣密封封隔器可能承受雙向壓差、且現(xiàn)場(chǎng)注氣壓力大于10 MPa的特點(diǎn)，在密封圈左右兩邊設(shè)置了2個(gè)擋環(huán)，擋環(huán)采用尼龍6材質(zhì)，硬度≥90 HS，增加了密封圈的承壓能力，避免密封圈在高壓差作用下突出溝槽損壞，導(dǎo)致密封失效（如圖2～3）；其次對(duì)O形橡膠密封圈溝槽的加工尺寸進(jìn)行了優(yōu)化［4］，O形橡膠密封圈截面直徑選用3.55 mm，溝槽寬度4.6 mm，深度2.95 mm。上述工作形成了完善的氣動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，使封隔器錨瓦部分漏失點(diǎn)得到很好的控制。

圖2 密封圈部分未加擋環(huán)

圖3 密封圈部分加設(shè)擋環(huán)

1.2 氣密封扣型設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外注氣項(xiàng)目工藝管柱及工具連接扣均采用氣密封扣型，氣密封扣是在API偏梯形螺紋基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的系列特殊扣型，主要由連接螺紋部分、抗轉(zhuǎn)矩臺(tái)肩部分和密封面部分組成，密封面起主要密封作用，轉(zhuǎn)矩臺(tái)肩起輔助密封作用和抗過(guò)轉(zhuǎn)矩作用。國(guó)內(nèi)外各公司在氣密封扣設(shè)計(jì)方面主要突破了密封技術(shù)、高連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)、抗磨損和防粘扣設(shè)計(jì)、耐應(yīng)力腐蝕設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外應(yīng)用較成熟的氣密封扣型主要有 V＆M、Hydril、Hunting、Tenaris四大系列，其中V＆M系列的VAMTOP扣型在抗拉、抗擠方面具有較優(yōu)異的性能，應(yīng)用比較廣泛。國(guó)內(nèi)寶鋼和天鋼也開(kāi)發(fā)了BGT1、TDS和TPCQ等特殊扣。充分考慮成本和操作難易程度，氣密封封隔器采用寶鋼研發(fā)的BGT1油管扣型，其主要特點(diǎn)為：①帶接箍的螺紋接頭；②金屬與金屬之間的主密封采用柱面、錐面、球面密封結(jié)構(gòu)形式；③轉(zhuǎn)矩臺(tái)肩有止扣和輔助密封性能，優(yōu)化的逆向角度配合公差；④內(nèi)平光滑結(jié)構(gòu)；⑤采用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)API偏梯形螺紋形式，齒頂和齒底平行于管體軸線，偏梯形螺紋每英寸8牙。該種扣型的優(yōu)勢(shì)為面密封采用柱面、錐面、球面等多種復(fù)合密封結(jié)構(gòu)形式，顯著提高了密封穩(wěn)定性，如圖4。

2 封隔器材質(zhì)及密封材質(zhì)優(yōu)選

2.1 封隔器材質(zhì)優(yōu)選

雷64塊注氣試驗(yàn)氣源為高升采油廠自產(chǎn)天然氣，處理后的自產(chǎn)氣中含有CO2、H2S等氣體，在井下環(huán)境中具有極強(qiáng)的腐蝕性，45＃鋼、35Cr Mo等鋼材耐腐蝕性較低，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期注氣要求。通過(guò)篩選，綜合考慮各種合金材料耐腐蝕介質(zhì)，選用了Inconel718（鉻鎳鐵合金）作為封隔器材質(zhì)，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2～3。該合金具有高強(qiáng)度、良好的韌性，在高低溫環(huán)境均具有較好的耐酸性氣體腐蝕能力。

表2 Inconel718主要化學(xué)成分 w B%

表3 Inconel718力學(xué)性能參數(shù)

2.2 膠筒及密封圈材質(zhì)優(yōu)選

室內(nèi)通過(guò)模擬井下可能會(huì)存在的酸性液/氣介質(zhì)環(huán)境，對(duì)不同膠筒材質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，模擬環(huán)境中氣相（體積分?jǐn)?shù)）為：φ（H2S）＝5%、φ（CO2）＝20%、φ（CH4）＝75%，液相（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：柴油95%、水4%、緩蝕劑1%，對(duì)比材料為丁晴橡膠（NBR）、氫化丁晴橡膠（HNBR）、氟橡膠等材料。從如圖5所示曲線可以看出：FKM 、TFE/P、NBR不能經(jīng)受高溫下酸性液/氣兩相介質(zhì)腐蝕作用，而氫化丁晴橡膠（HNBR）表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能。另外，HNBR在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的耐臭氧性能測(cè)試環(huán)境下工作1 000 h，并未出現(xiàn)臭氧裂紋，顯示出優(yōu)異的耐臭氧老化性能。因此，封隔器的核心密封件膠筒及O形圈選用氫化丁晴橡膠（HNBR），保證封隔器在復(fù)雜井況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效氣密封。

圖5 酸性環(huán)境下各種材料拉伸強(qiáng)度曲線

3 封隔器密封性試驗(yàn)

3.1 水壓試驗(yàn)

利用遼河油田鉆采工藝研究院試驗(yàn)井進(jìn)行水壓試驗(yàn)，將封隔器坐封在試驗(yàn)井套管內(nèi)，正向及反向試壓25 MPa，密封穩(wěn)定，證明該型封隔器具有較好的耐壓差性能。

3.2 氣密性試驗(yàn)

按照國(guó)家相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)建立了氣密封檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由低壓氣源及過(guò)濾干燥系統(tǒng)、高壓氣源及過(guò)濾干燥系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、卸壓系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，如圖6。

試驗(yàn)過(guò)程為將封隔器一端封堵，另一端與增壓系統(tǒng)連接，連接后的封隔器置于試驗(yàn)水池中，利用N2對(duì)系統(tǒng)增壓至25 MPa，穩(wěn)定觀察30 s，觀察壓降及水池內(nèi)氣泡溢出情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)完成了Y521型氣密性封隔器的檢測(cè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在25 MPa壓力下的高效氣密封（試驗(yàn)報(bào)告如表4）。

圖6 氣密封檢測(cè)系統(tǒng)流程

表4 氣密性試驗(yàn)報(bào)告

4 結(jié)論

1） 通過(guò)研究篩選，確定了氣密封封隔器的主體結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)密封系統(tǒng)，優(yōu)選了本體及密封件材質(zhì)，為封隔器滿足氣密封使用奠定了基礎(chǔ)。

2） 試驗(yàn)結(jié)果表明：該型封隔器可以滿足25 MPa注入壓力情況下的氣密封，可滿足常規(guī)注氮?dú)饧翱諝庑枨蟆?/p>

3） 氣密封封隔器的研究成功，為國(guó)內(nèi)外其他注氣改善開(kāi)發(fā)效果項(xiàng)目提供了重要的技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 李世民，韓進(jìn)，呂西紹，等.小直徑封隔器膠筒的研制［J］.橡膠工業(yè)，2003，6（3）：357－359.

［2］ 張辛，徐興平，王雷.封隔器膠筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)勢(shì)分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（1）：62－66.

［3］ GB/T 20970—2007，石油天然氣工業(yè)井下工具、封隔器和橋塞［S］.

［4］ GB/T 3452.3—2005，液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈［S］.