石油机械
2017 年第 45 卷第 4 期
CHINA PETROLELM MACHINERY
一 87 —
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用于CO2驱分层注气的双向压缩封隔器+
刘建新王世杰张瑞霞魏伟
(中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院）
摘要：常用的Y341封隔器普遍存在承上压不足的问题，不能满足C〇2驱分层注气的需要。 为此，研制了双向压缩Y341-115型封隔器。这种新型封隔器采用双向加载的理念，在肢筒上、 下端均设置了坐封机构和锁紧机构，增加了肢筒与套管之间的接触应力，从而提升了肢筒的密封 能力。通过内、外中心管台阶的设置，肢筒承受上部压力时，产生的下推力传递到上接头上，解 封机构不受上压力的影响，从而提高了封隔器承上压的能力。试验结果表明，该封隔器能承受35
MPa双向交替气密封压力，可满足低渗透油藏CO2驱分层注气的需求，具有较高的推广应用
价值。
关键词：C〇2驱；封隔器；肢筒；气密封；分层注气
中图分类号：丁瓦934文献标识码：入如：10.16082/】.（:吐[^吼.100卜4578.2017.04.019
Bi-directional Compression Packer for Separate Layer C02 Flooding
Liu Jianxin Wang Shijie Zhang Ruixia Wei Wei
(Petroleum, Engineering Technology Research Institute, Sinopec ShengH Oilfield Company)
Abstract ： The current widely used Y341 packer has the issue ol insufficient pressure bearing and thus cannot
meet the needs ol separate layer C〇2 flooding. To address the issue, a bi-directional compression packer, Y341-
115 packer, has been developed. The design of the new type of packer adopts the concept of bi-directional loading,
the sealing mechanism and locking mechanism were set both on the up and down side ol the rubber, thus increasing the contact stress between the rubber and casing, and thereby enhancing the sealing capacity of the rubber. The designed step in the internal and external center tube transforms the down thrust from the rubber to the upper connector ,thus eliminating the effect of upper pressure on the releasing mechanism, thereby enhancing the upper pressure bearing capacity of the packer. The test results show that the packer can withstand 35 MPa bidirectional alternating gas seal pressure, therefore can meet the requirement of separate layer C〇2 flooding in low permeability reservoir.
Key words： C〇2 flooding； packer； rubber； gas seal; separate layer gas injection
用的Y341封隔器主要用于分层注水和分层采油,
0
引百
C〇2驱是降低碳排放、提高原油采收率的有效
普遍存在着承上压不足的问题，不能满足高压注气 的要求。
常规Y341封隔器[6-8]坐封时，从加压, 推动坐封活塞上行，向上压缩胶筒。解封时，上提 管柱，剪断解封剪钉，释放锁紧机构，继续上提释 放胶筒，完成解封。这种封隔器主要存在以下问 题：①单向压缩胶筒造成封隔器承下压的能力远大
方法，已在国内外得到广泛应用[|-5]。由于油藏层 间渗透率的差异，笼统注气易导致气窜，降低C〇2 驱效果。分层注气是治理气窜的一种有效手段，而
Y341封隔器是分层注气的关键工具之一。目前使 *
*基金项目：中石化股份公司科技攻关项目“CO:驱分层注气测调技术研究”（P14058);胜利石理局博士后项目“超临界CO2
井下涡街流量计结构优化与测量特性研究”（YKB1520)。
一 88 —石油机械2017年第45卷第4期
于承上压。原因是，胶筒从哪端压缩，哪端接触应 力就大，其耐压差能力就强[9-11]。文献[9]表 明，用13.3 MPa的坐封压力从下向上压缩胶筒， 胶筒能承受下压差50 MPa，却只能承受上压差 13. 8 MPa。②封隔器承受较大的上压差时，容易解 封失效[12]。封隔器承受上部压力时，胶筒受到向下 的推力，这个推力最终会作用在解封剪钉上，且与 上提解封对剪钉的拉力方向一致。当上部压差较高 时，对胶筒的推力大于解封剪钉的剪断力与胶筒和 套管壁间的摩擦力之和，封隔器就会解封。
研究表明，采用双向加载的方式，可以改善胶 筒与套管的接触应力分布[13]。为此，中石化胜利 油田分公司石油工程技术研究院采用双向压缩胶筒 的方法，对Y341封隔器进行了改进和完善，使其 成为可承受双向交替压差的封隔器，满足C〇2驱
高压注气的需求。1
技术分析
1.1结构
双向压缩Y341-115型封隔器结构如图1所 示，主要包括坐封锁紧机构、胶筒、平衡机构和解 封机构4部分。胶筒上、下端都设计了坐封和锁紧 机构，可从上、下两端压缩胶筒。上坐封锁紧机构 由上接头、上坐封剪钉、上活塞、平衡活塞、平衡 缸套、内中心管和上锁环构成。下坐封锁紧机构由 下端环、下坐封剪钉、下缸套、坐封活塞、外中心 管、内中心管、挡套和下锁环构成。图1中平衡机 构由2级平衡液缸组成，也可根据需要设计多级平 衡液缸。
1 一上接头；2、16—坐封剪钉；3—内中心管；4 一平衡缸套1;5—上活塞；6—平衡
活塞；7 —平衡缸套2；8、22 —锁环；9一外中心管；10 —上端环；11 一胶筒；12 —下端环；13 —下缸套；
14、15、20 —锁块；17 —坐封活塞；18 —下接头；19一支撑套；21—支撑套锁块；22 —挡套。
图1
双向压缩Y341-115型封隔器结构示意图
Fig. 1 Structural schematic of Y341-115 bi-directional compression packe]
1.2工作原理
坐封时，从中心管施加液压，下进液孔进液， 剪断坐封剪钉，推动下端环上行，向上压缩胶筒， 并带动下缸套和下锁环等上行，下锁环锁紧；上进 液孔进液，推动上活塞下行，带动平衡缸和上端环 下行，向下压缩胶筒，上锁环锁紧；经过对胶筒的 双向压缩，使封隔器的密封能力更强。
当封隔器承受下压差时，液压力通过胶筒向上 推上端环，同时，液体从胶筒下端的平衡进液孔进 人，沿内、外中心管间的环形间隙传递到平衡缸， 平衡活塞向上推上接头，平衡缸套向下推上端环， 胶筒承受的下部液压力通过平衡机构传递到了上接 头。由于作用到上端环的下推力大于上推力，因 此，上端环和外中心管等不会被向上推动，保证了 封隔器承受下压的可靠性。同时，下推力会进一步 压缩胶筒并锁紧，压力越高，压缩胶筒的力越大， 会使胶筒的密封能力得到进一步提高。当封隔器承 受上压差时，液压力通过胶筒向下推下端环和下缸 套等，通过下锁环和支撑套锁块传递到外中心管， 又通过内、外中心管之间的台阶传递至内中心管和 上接头，保证了封隔器承受上压的可靠性。
解封时，下推内中心管，支撑套锁块让位，释 放下锁紧机构，然后上提管柱，胶筒回弹，封隔器 解封。
1.3技术特点
(1)
端均设置了坐封和锁紧机构，胶筒坐封后与套管的 接触应力大幅增加，因而提高了封隔器承受双向压
采用双向加载的理念，在胶筒的上、
差的密封能力。
(2) 在内、外中心管设置了传力台阶，胶上方设计了平衡机构，不论承受上压力还是下压 力，压力都传递到了上接头，解封机构不再受密封 压力的影响，从而提高了封隔器的密封能力。(3) 当封隔器承受下部压差时，通过多级衡缸产生下推力，进一步压缩胶筒，其压缩变形被 上锁紧机构锁定，压力越高，压缩胶筒的力越大，
进一步提高了胶筒的密封能力。(4) 采用先下放再上提的方式解封，封隔未设置解封剪钉，解封力很小。1.4主要技术参数
外径：115 mm；内径：48 mm；
2017年第45卷第4期刘建新等：用于C02驱分层注气的双向压缩封隔器
坐封压力：20 MPa;耐温：<150丈;气体密封压差：35 MPa;
适用套管内径：121.4~124. 3 mm;解封力：<10kN。2
室内试验
2015年9月，中石化胜利油田分公司石油工 广应用价值。
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表1气密封试验结果
MPaTable 1
Gas seal test results
MPa
上环空密稳定1 h下环空密稳定 1 h封压力
后压降
封压力
后压降
200. 02200. 05250. 04250. 07300. 12300. 1435
0. 60
35
0. 56
坐封试验、正向及反向气密封承压试验和解封 试验结果均证明，双向压缩Y341-115型封隔器结 构合理，能够双向反复承受35 MPa的C02气密封 压力，达到了设计目的。3
结论(1)
采用双向加载的方式，设计了双向压缩
Y341-115型封隔器，解决了单向压缩封隔器非加
载端承压低的问题，满足了双向承压的要求。
(2) 设计了平衡液缸，封隔器承受下部压力 时，胶筒被再次压缩，使封隔器的密封能力在使用 过程中得到进一步提高。
(3)
该封隔器可以承受35 MPa气密封压能够满足现场分层注C〇2的要求，具有较高的推
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第一作者简介：刘建新，副研究员，生于1976年， 2009年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，现 从事C02驱注采工艺技术研究工作。地址：（257000)山东 省东营市。E-mail: jason_ 0522@163.com。
，
收稿日期：2016-11-02
(本文编辑谢守平）
力
