【正文】 水、壓裂、注水等作業(yè)中發(fā)揮了不可替代的作用。封隔器膠筒是密封的關(guān)鍵，密封件仍以膠筒為主。先后研制和使用了從機(jī)械式到水力式，從壓差式到自封式的各種類型的封隔器及相應(yīng)的配套工具。近年來封隔器的用量越來越大，作用更加明顯，同時(shí) 對(duì)封隔器的性能要求更加嚴(yán)格。從 1976 年到 1985 年，油田開采方式逐步由自噴轉(zhuǎn)為機(jī)械采油，封隔器的研制基本適應(yīng)了以限流法壓裂完井技術(shù)為代表的機(jī)采條件下的分層壓裂、分層堵水、分層測(cè)試等作業(yè)要求。 我國(guó)的封隔器研究也在不斷地發(fā)展，大慶采油工藝研究所的科研歷程比較具有代表性。當(dāng)溫度大于 150℃條件下，可承壓 34 MPa(膨脹率為2:1 時(shí) )或 14 MPa(膨脹率為 3:1 時(shí) )。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有關(guān)產(chǎn)品目錄上的封隔器品種已達(dá) 500 種，近幾年來，則大大超過此數(shù)，并涌現(xiàn)出不少結(jié)構(gòu)改進(jìn)，性能提高 的新型封隔器。 近幾十年來，隨著鉆井、完井工藝不斷向高壓、高溫和復(fù)雜的深部地層方面發(fā)展，對(duì)封隔器提出了種種更高的要求，因而促使封隔器研制工作趨向?qū)I(yè)化，研制的產(chǎn)品日益豐富。 1942 年，第一次雙層完井使用了美國(guó)貝克工具公司制造的封隔器。 為了合理地開發(fā)多油層非均質(zhì)油田，避免層間干擾和確保各層有效生產(chǎn)，三十年代末，美國(guó)和蘇聯(lián)相繼開始了分層開采工藝的研究和其他分層工藝技術(shù) (如分層注水、分層測(cè)試、分層進(jìn)行增產(chǎn)措施 )的試驗(yàn)，這導(dǎo)致了適應(yīng)分層開采工藝技術(shù)的各種封隔器的發(fā)展。類似目前所采 用的封閉油管與套管間環(huán)形空間的封隔器是從 20 世紀(jì)初開始開發(fā)使用的。 2 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀 資料顯示，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在油田開發(fā)中采用封隔器已有近百年的歷史，較早的油田封隔器是包裹在油管外面，試圖將不同的液相進(jìn)行隔離。以封隔器為中心的井下分層工具，對(duì)油層實(shí)現(xiàn)分采分注是極其重要的，因此對(duì)封隔器的研究對(duì)油田開發(fā)具有重要的意義。 選題意義 我國(guó)的大多數(shù)油田屬非均質(zhì)多油層特點(diǎn)，油田開采的主要矛盾是如何提高各類油層的動(dòng)用程度和經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展。 同時(shí)，長(zhǎng)期以來，對(duì)低滲透、深油藏的高壓注水油田沒有合適的分注工具。 III 目錄 1 設(shè)計(jì)的選題目的、意義 ................................................. 1 選題目的 ........................................................ 1 選題意義 ........................................................ 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀 ................................................... 2 3 封隔器以及注水過程的工作原理 ......................................... 4 封隔器的工作原理 ................................................ 4 封隔器的介紹 .............................................. 4 封隔器的作用 .............................................. 4 封隔器使用范圍 ............................................ 5 封隔器的主要結(jié)構(gòu)以及工作原理 .............................. 5 注水工藝 ........................................................ 6 4 主要研究?jī)?nèi)容 ......................................................... 8 5 總體方案確定 ......................................................... 8 結(jié)構(gòu) ............................................................ 9 坐封 ............................................................ 9 工作過程 ........................................................ 9 解封 ........................................................... 10 為克服管柱蠕動(dòng)對(duì)封隔器影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................... 10 6 計(jì)算設(shè)計(jì)過程 ........................................................ 11 封隔器工作參數(shù)選取 ............................................. 11 各部分的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) ........................................... 11 效核 ........................................................... 32 7 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)的可行 性分析 ...................................... 37 8 結(jié)論 ................................................................ 38 謝辭 .................................................................. 39 參考文獻(xiàn) .............................................................. 40 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 1 1 設(shè)計(jì)的選題目的、意義 選題目的 油田廣泛運(yùn)用封隔器于采油、注水及其它油井特殊作業(yè)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)封隔器的廠家也不少，但關(guān)于高壓封隔器產(chǎn)品幾乎還沒有，主要靠進(jìn)口。 為此，選定此項(xiàng)目進(jìn)行高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì)。在開發(fā)過程中，各油層的產(chǎn)量、壓力和吸水能力等存在很大差異，如何合理開發(fā)多層油田，提高采收率，又要可持續(xù)發(fā)展，一 直是一個(gè)很重要的問題。 對(duì)于注水開發(fā)的油田，隨著油田開發(fā)程度的加深，油井層之間矛盾日益突出，為了保持地層壓力、穩(wěn)定原油產(chǎn)量，必須采取分層注水、封堵高產(chǎn)水層等調(diào)整措施。油田開發(fā)初期自噴井較多，封隔器應(yīng)用相對(duì)較少。有許多的專業(yè)制造公司對(duì)封隔器的研發(fā)測(cè)試都非常重視 。 美國(guó)的貝克油田工具公司 (Backer Oil Tools)，在1940 年開始介入油田井下工具研究，最早開發(fā)出了可回收式封隔器，不論從制造精度上還是實(shí)用性方面都有較高 水平，在世界上處于領(lǐng)先地位。 1951 年 ， 用于多管完井作業(yè)用的雙管封隔器也已經(jīng)問世。目前、美國(guó)參與封隔器研制、銷售的廠商或公司不下于40 家 (還出現(xiàn)了專門從事封隔器研制的貝克封隔器公司 )。 1994 年，美國(guó)初步研制出 2 1／ 8in 高效可錨定單級(jí)膨脹式封隔器，在比較惡劣的工況下，具有較高的工藝操作可靠性和耐壓、耐溫以及抗腐蝕性能。而蘇聯(lián)封隔器 — 般最深下至 3000 多米，耐壓 500 多大氣壓，耐溫 20350℃。 1962 年 4 月為確保獨(dú)立開發(fā)大慶油田，為油田的發(fā)展提供有效工藝技術(shù)手段，研制了 4758 型水力壓差封隔 器和 665 型偏心配水器，逐步形成了“六分四清”新工藝，并在油田大面積推廣應(yīng)用，對(duì)認(rèn)識(shí)非均質(zhì)多油層砂巖油田注水開發(fā)特點(diǎn)，充分發(fā)揮主力油層作用，為保證油田持續(xù)生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)手段。從 1986 年到 1995 年，機(jī)采井?dāng)?shù)占油井總數(shù)的%，針對(duì)地表油層和油田外圍儲(chǔ)量差、油層薄的油田的增效開采和油井的大修，根據(jù)“穩(wěn)油控水”目標(biāo)的需要，先后為注水、產(chǎn)液 、儲(chǔ)采作業(yè)研制了配套的高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 3 封隔器。 我國(guó)不斷地吸取和引進(jìn)國(guó)外的封隔器研發(fā)技術(shù)，現(xiàn)已初步形成了一定規(guī)模的封隔器研發(fā)隊(duì)伍，并開發(fā)出了很多適合我國(guó)油田現(xiàn)狀的新型封隔器。封隔器的密封材料的使用也不再僅限于橡膠，相繼出現(xiàn)了金屬封隔、尼龍封隔，或它們?nèi)咧g的組合，密封和耐溫性能都取得了很大的提高。膠筒在液壓推力作用下，通 過軸向壓縮作用在封隔器套管壁上，起到密封封隔作用。近年來，油井己進(jìn)入高含水階段，加上新的熱力采油方法的需要 ， 井況日趨惡化，對(duì)膠筒的侵蝕更加嚴(yán)重，對(duì)耐溫的要求相應(yīng)提高，我國(guó)原有的封隔器膠筒耐溫只有 120℃ ，己不能滿足油田鉆采的需要。 2020 年底，新膠筒在 0柴油、 150℃ ,20MPa,96 小時(shí)實(shí)驗(yàn)條件下檢驗(yàn)證明各項(xiàng)參數(shù)滿足 工作要求。從現(xiàn)場(chǎng)的使用效果來看，都能進(jìn)行有效封堵，工作運(yùn)行良好，并達(dá)到了國(guó) 際先進(jìn)的水平。 4 3 封隔器 以及注水過程 的工作原理 封隔器的工作原理 封隔器的介紹 所謂“封隔器”，系指具有彈性密封元件，并以此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，以控制產(chǎn) (注 )液，保護(hù)套管的井下工具。這種密封作用，根據(jù)密封部位的不同，可分為兩種：一種是油管與套管 (或裸眼井壁 )之間的密封，即“外密封”；一種是油管或油管密封短節(jié) (也稱密封段 )與封隔器內(nèi)腔 (或密封腔容座 )之間的密封，即“內(nèi)密封。 通常，封隔器是接在油管上下井的。 目前常用的封隔器分為兩大類：可取式封隔器和永久式封隔器，前者指可以用油管 (或鉆桿 )或電纜下井坐封，必要時(shí)采用動(dòng)管柱和其他非破壞性手段解封，并從井下起出以重復(fù)使用的封隔器，后 者則指較長(zhǎng)時(shí)間 (永久性地 )封隔地層，一般不易從井下起出的封隔器。 對(duì)于封隔器本身來說，最關(guān)鍵的部件是彈性密封元件，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬嫌绊懖Q定著封隔器系統(tǒng)井下工作的成敗。因此，需要從理論上了解和分析溫度、壓力的變化如何影響封隔器系統(tǒng)的的受力情況。封隔器所具備的種種功能，主要依靠彈性密封元件的密封作用來實(shí)現(xiàn)。 封隔器 使用范圍 由于其作用都是用于井下分隔油層等，所以封隔器不僅可以用于自噴井采油，還用于非自噴井采油，在分層注水、分層壓裂酸化及分層測(cè)試等作業(yè)中，也被廣泛采用。各部分工作原理如下： （ 1） 密封部分 密封部分 是在外力 (機(jī)械力或液壓力 )的作用下，發(fā)生動(dòng)作，最終密封環(huán)形間隙，防止流體通 過機(jī)械，它是封隔器的關(guān)鍵部分，主要由彈性 密封元件，安裝密 圖 31 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)示意圖 封元件的鋼碗、隔環(huán) (擋圈 )和各種防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件構(gòu)成。如圖 31 所示。 自封隔器問世以來，人們花了大量的力氣，對(duì)密封元件 (尤其是實(shí)現(xiàn)外密封的膠筒 )進(jìn)行了多方面的深入研究，進(jìn)而帶動(dòng)了整個(gè)封隔器的研究工作，因此，封隔器密封元件的研究是一個(gè)重點(diǎn)。它主要包括水力錨和卡瓦等?？ㄍ咭彩且环N常用的起錨定作用的機(jī)構(gòu)，美國(guó)使用最多。 1934 年才開始在膠筒下部采用下卡瓦。有時(shí)，為了使力的分布均勻，在膠筒兩端使用兩個(gè)整體卡瓦。 （ 3） 扶正部分 扶正部分 主要起扶正密封元件的作用 (尤其在井身質(zhì)量不好的井中 )，同時(shí)也起初卡作用，便于封隔器坐封。在轉(zhuǎn)動(dòng)管柱坐封封隔器時(shí)，扶正彈簧片對(duì)套管壁產(chǎn)生足夠的摩擦力，防止封隔器殼體隨管柱轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 4） 坐封部分 坐封部分 是使封隔器坐于目的層段后保持密封狀態(tài) (即工作狀態(tài) )的機(jī)構(gòu)。 坐封部分動(dòng)作時(shí)，能起兩個(gè)作用： 1） 推動(dòng)錐體，使卡瓦張開 (對(duì)于帶卡瓦的封隔器來說 )，并貼在套 管壁上； 2） 壓縮彈性密封元件，使之脹大而密封。由于封隔器鎖緊機(jī)構(gòu)及動(dòng)作方式在很大程度上影響封隔器的可取性，因而是設(shè)計(jì)可取式討隔器應(yīng)予重視的結(jié)構(gòu)部分。 （ 6） 解封部分 解封部分是使油、套管連通，進(jìn)而使卡瓦收回，膠桶恢復(fù)原狀、以利于起封的機(jī)構(gòu)。它通常由平衡活塞、平衡閥 (循 環(huán)閥 )、循環(huán)孔 (連通孔 )、缸套或解封套、解封銷釘構(gòu)成。油田投入開發(fā)后，隨著開采時(shí)間的增長(zhǎng)，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，地下原油大量脫氣，粘度增加，油井產(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量死油采不出來。 高壓?jiǎn)喂芊飧羝髟O(shè)計(jì) 7 分層配注的實(shí)質(zhì)是在注水井中下入封隔器，將各油層分隔，在井口保持同 一壓力的情況下， 加強(qiáng)對(duì)中、低滲透層的注入量，而對(duì)高滲透層的注入量進(jìn)行控制，以防止注入水單層突進(jìn)，實(shí)現(xiàn)均勻推進(jìn)，提高油田的采收率。根據(jù)各油層需要 的注水量安 裝不同直徑的配水嘴，利用配水嘴的節(jié)流損失，降 低 注水壓力，實(shí)現(xiàn)分層定量注水；第三種是 自動(dòng)調(diào)節(jié)配水器，該配水器是通過配水嘴使活塞前后產(chǎn)生節(jié)流壓差，這個(gè)壓差作用在活塞上使之控制側(cè)孔過流面積，從而使流量趨于恒定不變。 油田注水方式 ： 注水方式即是注采系統(tǒng)，其指注水井在油藏所處的部位和注水井與生產(chǎn)井之間的排列關(guān)系， 可根據(jù)油田特點(diǎn)選擇以下注水方式： ① 邊緣注水，其分為緣外注水、緣上注水和邊內(nèi)注水三種； ② 切割注水； ③ 面積注水，可分五點(diǎn)法注水，七點(diǎn)法注水，歪七點(diǎn)法注水，四點(diǎn)法注水及九點(diǎn)法注水等。導(dǎo)管用來保護(hù)井口附近的地層，一般采用螺紋管，周圍用混凝土