王利軍，邢洪憲，李清濤，張?jiān)岂Y，王世強(qiáng)(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

沖砂分流封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

王利軍，邢洪憲，李清濤，張?jiān)岂Y，王世強(qiáng)
(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

油井出砂是油田開(kāi)采中后期常見(jiàn)的問(wèn)題，出砂后不僅會(huì)磨蝕井下設(shè)備，也會(huì)砂埋油層，造成油井停產(chǎn)，危害極大。針對(duì)目前常規(guī)沖砂技術(shù)具有皮碗磨損嚴(yán)重，作業(yè)管柱摩阻大等問(wèn)題，研制了一種可應(yīng)用于沖砂洗井作業(yè)的分流封隔器，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理及密封性能等方面進(jìn)行了分析。該工具自身設(shè)計(jì)分流通道，滿足正、反循環(huán)要求，且皮碗可多次收縮、張開(kāi)，能夠有效降低管柱摩阻，減少作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

封隔器；沖砂；分流；皮碗

隨著油田開(kāi)采進(jìn)入中后期，油井出砂已經(jīng)成為比較常見(jiàn)的問(wèn)題，出砂后不僅會(huì)磨蝕井下設(shè)備，也會(huì)砂埋油層，直接影響到油井的原油產(chǎn)量，危害極大。在完井及修井作業(yè)期間，刮管沖砂作業(yè)作為基礎(chǔ)性作業(yè)步驟，是確保后續(xù)作業(yè)步驟正常進(jìn)行的關(guān)鍵[1-4]。采取合適的刮管沖砂工藝技術(shù)及工具，不但能夠提高作業(yè)質(zhì)量，避免后續(xù)作業(yè)中復(fù)雜情況甚至井下事故的發(fā)生，而且能夠提高整個(gè)完井及修井作業(yè)階段的作業(yè)效率，縮短作業(yè)周期，降低作業(yè)成本。沖砂配套封隔器作為整個(gè)工藝技術(shù)中的關(guān)鍵工具，在作業(yè)工序中起到十分重要的作用。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前沖砂洗井作業(yè)中多采用自封式封隔器[5-7]，該封隔器可適用于驗(yàn)封、沖砂洗井等作業(yè)，主要由密封皮碗及中心軸組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其皮碗外徑大于套管內(nèi)徑，靠皮碗與套管的過(guò)盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。由于皮碗外徑尺寸大于套管內(nèi)徑，下井過(guò)程中皮碗外緣會(huì)緊貼套管內(nèi)壁下滑，如遇井壁破損或毛刺極易損壞皮碗，造成密封不嚴(yán)，影響作業(yè)效果。另外，由于皮碗始終處于張開(kāi)狀態(tài)，起下作業(yè)管柱過(guò)程中，會(huì)加大管柱上提的摩阻，如果遇攜砂液回落等問(wèn)題，則有砂卡管柱的風(fēng)險(xiǎn)。自封式封隔器皮碗磨損如圖1所示。

a 雙皮碗封隔器磨損

b 單皮碗封隔器磨損

2 分流封隔器設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

分流封隔器可應(yīng)用于刮管、驗(yàn)封及沖砂洗井等作業(yè)。下井時(shí)，封隔器皮碗外徑小于套管內(nèi)徑，隨管柱下入到位后管柱內(nèi)部憋壓，皮碗張開(kāi)，貼緊套管內(nèi)壁，密封套管環(huán)空。該封隔器自身設(shè)計(jì)循環(huán)通道，沖砂洗井等作業(yè)時(shí)可滿足正、反循環(huán)作業(yè)要求。作業(yè)結(jié)束后，管柱內(nèi)繼續(xù)憋壓，封隔器皮碗即可收回，收回后外徑小于套管內(nèi)徑，管柱動(dòng)作時(shí)可減小摩阻。皮碗動(dòng)作機(jī)構(gòu)采取轉(zhuǎn)向軌道方式設(shè)計(jì)，皮碗張開(kāi)、收縮穩(wěn)定可靠，能夠反復(fù)多次動(dòng)作。該封隔器可有效提高沖砂洗井效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)

分流封隔器主要由上接頭、中心管、滑軌套、復(fù)位彈簧、內(nèi)襯套、推筒、導(dǎo)向銷(xiāo)、皮碗等組成，如圖2。皮碗直接硫化到皮碗座上面，通過(guò)螺紋與滑軌套相連接。中心管與上接頭相連，起密封及連接作用。通過(guò)管柱內(nèi)憋壓，可使導(dǎo)向銷(xiāo)在滑軌套上沿導(dǎo)向槽上下滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推筒上行或下移，推筒下移時(shí)撐開(kāi)皮碗，密封套管環(huán)空，推筒上移時(shí)，皮碗自動(dòng)收回。復(fù)位彈簧通過(guò)彈簧套與推筒連接，可對(duì)推筒的上行起到一定的輔助作用。軌道整周布置，能夠?qū)崿F(xiàn)皮碗多次張開(kāi)、收回。內(nèi)襯套連接在中心管與滑軌套之間，設(shè)計(jì)有流道孔，可使該工具滿足正、反循環(huán)作業(yè)要求。

a 分流封隔器結(jié)構(gòu)

b 內(nèi)流道剖面

c 滑軌套上導(dǎo)向槽展開(kāi)圖

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 與目前常規(guī)皮碗自封式封隔器相比，作業(yè)管柱起、下井時(shí)，封隔器皮碗外徑小于套管內(nèi)徑，有效減小摩阻，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。管柱到位后，管柱內(nèi)憋壓皮碗即可張開(kāi)，緊貼套管內(nèi)壁，密封套管環(huán)空。

2) 分流封隔器采取雙層通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自身設(shè)計(jì)有循環(huán)通道，下井后能夠建立管柱內(nèi)外循環(huán)，可滿足現(xiàn)場(chǎng)正、反循環(huán)等多種作業(yè)要求，能夠適用于沖砂洗井、驗(yàn)封等作業(yè)。

3 皮碗性能分析[8-10]

3.1 優(yōu)化分析

分流封隔器皮碗起、下井過(guò)程中，皮碗外徑小于套管內(nèi)徑，這樣可有效減小皮碗自己的磨損及管柱動(dòng)作的磨阻。使用過(guò)程中，皮碗會(huì)由推筒撐開(kāi)，緊貼套管內(nèi)壁，密封套管環(huán)空。皮碗在使用過(guò)程中會(huì)受推筒及套管兩方面作用力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)直接影響其密封性能。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取皮碗材料為氫化丁晴橡膠，外徑216 mm，內(nèi)徑184 mm，推筒外徑188 mm。模擬皮碗工作狀態(tài)，對(duì)皮碗進(jìn)行應(yīng)力分析驗(yàn)證。當(dāng)推筒下行預(yù)定距離，環(huán)空加壓20 MPa時(shí)，皮碗外壁緊貼套管，且接觸面積大，應(yīng)力分布均勻，分析如圖3所示。

a 皮碗接觸應(yīng)力分布

b 加壓工作時(shí)皮碗最大應(yīng)力分布

3.2 皮碗試驗(yàn)

為驗(yàn)證皮碗密封性能，確定皮碗最終尺寸后，對(duì)所加工的皮碗進(jìn)行了密封試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：

1) 將皮碗、密封光桿、試驗(yàn)套管等按照?qǐng)D4試驗(yàn)工裝組裝。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5。

2) 試驗(yàn)工裝左側(cè)密封光桿連接液壓管線，加壓使推筒下移，撐開(kāi)皮碗，鎖定推筒。

3) 由密封試壓接頭往套管環(huán)空內(nèi)加壓，測(cè)試皮碗密封性能。

1— 密封光桿；2—密封試壓接頭；3—244.5 mm(9英寸)套管；4—試驗(yàn)工裝。圖4 皮碗密封試驗(yàn)工裝

圖5 皮碗密封試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)試驗(yàn)步驟，在室溫條件下分別對(duì)皮碗進(jìn)行了3次密封試驗(yàn)，密封性能均滿足設(shè)計(jì)要求。密封試驗(yàn)結(jié)束后，將皮碗收回，工裝由試驗(yàn)套管中取出，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)皮碗未見(jiàn)明顯磨損。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 皮碗密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1) 沖砂洗井作為完井及修井期間的基礎(chǔ)性作業(yè)步驟，是確保后續(xù)作業(yè)正常進(jìn)行的關(guān)鍵。采取合適工藝技術(shù)，能提高作業(yè)質(zhì)量及效率，可有效降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2) 分流封隔器可有效密封油套環(huán)空。自身設(shè)計(jì)有循環(huán)通道，能夠適用于沖砂洗井、驗(yàn)封等作業(yè)。

3) 分流封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、制造成本低，可有效提高作業(yè)效率，降低完井及修井作業(yè)中事故發(fā)生的概率，應(yīng)用前景良好。

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Structure Design and Analysis of Split Packer

WANG Lijun，XING Hongxian，LI Qingtao，ZHANG Yunchi，WANG Shiqiang
(EnerTech-Drilling&ProductionCompany，CNOOC，Tianjin300452，China)

Sand production is a common problem in the later stage of oil production，it will not only wear the down hole equipment and also will be buried in oil，causing the oil well production stop.At present，conventional sand flushing technology has some problems，such as serious cup wear，tube has big friction resistance.A shunt packer is introduced in this paper that can be used for sand flushing operations，mainly analysis the structural，working principle，sealing performance and so on.The tool has a split channel to meet the requirements of the positive and reverse circulation.The leather bowl can be contracted and opened for many times，which can effectively reduce the frictional resistance of the pipe column and reduce the risk of operation，has broad application prospects.

packer；sand washing；diverting；cup

2016-11-18

中國(guó)海洋石油總公司能源發(fā)展股份有限公司科研項(xiàng)目 “刮管沖砂一體化工藝技術(shù)研究”(HFXMLZ-GJ2015006)

王利軍(1984-)，男，工程師，主要從事海洋石油鉆完井工具研發(fā)工作，E-mail：wanglj9@cnooc.com.cn。

1001-3482(2017)03-0073-04

TE931.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.016