遇水自膨脹管外封隔器的研制與應(yīng)用

劉豐克（中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710200）

遇水自膨脹管外封隔器的研制與應(yīng)用

劉豐克
（中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710200）

水層異?；钴S、油井含水上升過快是制約油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要因素，確保有效分段封隔是解決問題的關(guān)鍵。急需研制操作簡單、可靠性高、應(yīng)用范圍廣的遇水自膨脹管封隔器，通過技術(shù)參數(shù)制定、膨脹原理與影響因素研究、材料制備優(yōu)選、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、評價(jià)試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)的有效開展，使得各項(xiàng)技術(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而完全滿足固井完井與控水工藝需求，具有很好的應(yīng)用前景。

分段封隔；遇水自膨脹封隔器；控水

近年來，隨著長慶油田鉆井開發(fā)的不斷深入，對于水層異常活躍的油田區(qū)塊，還不能徹底有效的解決環(huán)空竄流問題。固井后，由于水泥環(huán)凝固時(shí)體積收縮，造成水泥環(huán)與套管膠結(jié)不好，出現(xiàn)通道，一旦生產(chǎn)中出水，極易造成竄流，導(dǎo)致含水量急劇上升，嚴(yán)重影響油田后續(xù)采收率。因此，需要研制一種操作簡單、可靠性高、應(yīng)用范圍廣的遇水自膨脹封隔器，通過實(shí)現(xiàn)單向微間隙密封，從而達(dá)到層間隔離目的，滿足現(xiàn)場施工技術(shù)要求。

1 技術(shù)參數(shù)制定及設(shè)計(jì)思路

1.1 技術(shù)參數(shù)制定

結(jié)合《SY/T7017-2014遇油遇水自膨脹封隔器》標(biāo)準(zhǔn)和甲方工程技術(shù)要求，遇水自膨脹管外封隔器應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：遇水自膨脹管外封隔器必須滿足35～150℃溫度范圍，環(huán)空相對穩(wěn)定不易出現(xiàn)塌方應(yīng)用工況下使用，固井過程中不發(fā)生膨脹，固井完成后膨脹材料緩慢膨脹，實(shí)現(xiàn)單向微間隙密封，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 設(shè)計(jì)思路

通過現(xiàn)場施工調(diào)研，原有的水力擴(kuò)張式管外封隔器存在如下問題：

（1）本體存在一定數(shù)量排泄孔，破壞管串完整性；

（2）內(nèi)部擋銷結(jié)構(gòu)在開啟時(shí)會對頂替膠塞帶來一定損壞，影響后續(xù)固井工具的正常使用；

為此，新型遇水自膨脹管外封隔器在研發(fā)設(shè)計(jì)上必須避免出現(xiàn)以上問題，在調(diào)研借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，新型遇水自膨脹管外封隔器的設(shè)計(jì)思路如下：

①總體結(jié)構(gòu)分為膠筒和限位環(huán)兩部分；

②膠筒分為3層結(jié)構(gòu)：外層為保護(hù)層，在一定時(shí)間內(nèi)起到防止膨脹材料與水分作用；中間層為膨脹材料，遇水后向外單向緩慢膨脹；內(nèi)層為隔離材料，遇水后向內(nèi)單向微膨脹密封；

③限位環(huán)不再使用頂絲，分為兩層結(jié)構(gòu)，采用摩擦環(huán)結(jié)構(gòu)錨緊定位。

使用時(shí)將膠筒安裝在對應(yīng)規(guī)格的套管上，由限位摩擦環(huán)錨緊定位。遇水后膠筒外保護(hù)層36h之內(nèi)隔離水層；超過36h之后外層逐漸溶解破壞，中間層與水接觸后向外緩慢膨脹密封環(huán)空，內(nèi)層也向內(nèi)單向微膨脹密封管體，從而實(shí)現(xiàn)隔離水層作用。

2 膨脹原理及影響因素研究

2.1 膨脹原理研究

通過相關(guān)技術(shù)資料查閱，遇水膨脹的原理為聚合物的滲透性特質(zhì)，通過吸水顆粒在暴露的水分子里后膨脹，進(jìn)而引起橡膠基質(zhì)的伸張。

2.2 膨脹影響因素研究

通過前沿技術(shù)資料分析可知，膨脹材料的吸水膨脹效果受關(guān)鍵因素的影響，具有一定的特性，可在后續(xù)試驗(yàn)過程中應(yīng)加以應(yīng)用。

3 材料制備選型及試驗(yàn)研究

3.1 材料制備

結(jié)合上述技術(shù)要求，通過市場采購相關(guān)原料，應(yīng)用機(jī)械共混法，分別制備3種樣品作為膨脹材料，成分均以高聚合度碳?xì)滏溄Y(jié)構(gòu)的疏水橡膠為主，以不同濃度和方向混入親水性物質(zhì)或在主鏈上加入親水性基團(tuán)為輔，以便后續(xù)選型。

3.2 材料選型

將上述制備好的樣品材料送至相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能評價(jià)，通過對3種樣品各個性能指標(biāo)進(jìn)行對比，第一次均不符合相關(guān)要求。隨后，經(jīng)過3次改良親水物質(zhì)濃度，終于制備出符合要求的樣品試塊，各項(xiàng)性能參數(shù)均符合相關(guān)要求。

3.3 自由膨脹評價(jià)試驗(yàn)

將上述優(yōu)選制備出的試塊進(jìn)行室內(nèi)自由膨脹評價(jià)試驗(yàn)，通過對膨脹倍率數(shù)據(jù)的測定，完成自由膨脹評價(jià)試驗(yàn)過程。具體實(shí)驗(yàn)過程為在化驗(yàn)室常溫條件下，將同一規(guī)格試塊分別放置于清水、水泥漿濾失液和鉆井液中，定時(shí)測定尺寸變化情況，形成數(shù)據(jù)分析。

在自由膨脹狀態(tài)下，該類型橡膠試塊在不同浸泡液體介質(zhì)中的膨脹倍率參數(shù)均≥250%，滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)室內(nèi)評價(jià)試驗(yàn)的奠定基礎(chǔ)。

3.4 模擬井底評價(jià)試驗(yàn)

在順利通過自由膨脹試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模擬井底工況評價(jià)試驗(yàn)，對實(shí)際膨脹倍率、承壓能力的等指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對比。具體試驗(yàn)過程為在80℃，常壓條件下，將同樣4 個51/2”規(guī)格（φ178×φ142×500）膠筒樣品安裝在同等長度的51/2”套管上，1只安裝在試壓工裝內(nèi)部放置于鉆井液中，另外3只分別放置于清水、井水和鉆井液中進(jìn)行對比試驗(yàn)，承壓密封試驗(yàn)設(shè)定承壓5MPa。

通過對比試驗(yàn)中膠筒尺寸變化的測定和數(shù)據(jù)分析可知，優(yōu)選膠筒出樣品具有良好的遇水膨脹性能，48h以內(nèi)的體積膨脹倍率均≥250%，無成分析出現(xiàn)象，耐壓能力滿足設(shè)計(jì)要求，故膠筒材料定型。

4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

4.1 膠筒設(shè)計(jì)

膠筒外觀尺寸滿足符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要分為3層結(jié)構(gòu)，外層隔離層采用可溶性高分子材料，中間層采用優(yōu)選材料，內(nèi)層采用緩慢膨脹材料，其中長度根據(jù)現(xiàn)場固井實(shí)際情況要求，可多種選擇。膠筒上下端均設(shè)計(jì)專用凸臺結(jié)構(gòu)，與限位環(huán)配合固定。

4.2 限位環(huán)設(shè)計(jì)

新型限位環(huán)采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過內(nèi)層摩擦環(huán)上緊形變產(chǎn)生摩擦力從而錨定在套管實(shí)現(xiàn)快速定位，避免頂絲上緊帶來的套管損壞，外層表面增加滾花結(jié)構(gòu)，方便人員上緊。采用高強(qiáng)度合金鋼加工，錨定強(qiáng)度高，可達(dá)到15kN以上。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2016年10月，川慶鉆探長慶固井公司應(yīng)用該新型遇水自膨脹管外封隔器在采油九廠畔204-99井進(jìn)行控水現(xiàn)場試驗(yàn)，該井深2 256m，替量0～23m3方正常，最后5m3返出漸小，固井施工正常，滿足現(xiàn)場使用要求。

6 結(jié)論

1）該新型遇水自膨脹管外封隔器能實(shí)現(xiàn)單向微間隙密封，達(dá)到層間隔離目的，滿足現(xiàn)場施工技術(shù)要求。

2）具有使用簡單、適用性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于推廣應(yīng)用。3）已成功進(jìn)行了現(xiàn)場固井試用，控水、堵水效果良好。

[1] 沈澤俊，童征，張國文，等.遇水自膨脹封隔器研制及在水平井中的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2011，40（2）.

《化工設(shè)計(jì)通訊》雜志簡介

《化工設(shè)計(jì)通訊》雜志系經(jīng)國家新聞出版廣電總署批準(zhǔn)國內(nèi)外公開發(fā)行的全國性石油化工科技類學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1975年，現(xiàn)為月刊，由湖南化工醫(yī)藥設(shè)計(jì)院主辦，主管單位為湖南省石油化學(xué)行業(yè)管理辦公室。是2014年國家新聞出版廣電總局《第一批認(rèn)定的學(xué)術(shù)期刊名單（共5756種）》中的2804號。被美國化學(xué)文摘（CA）、中國期刊網(wǎng)（CNKI）、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫（CJFD）、中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)庫（CAJCED）、《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》等收錄。是中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊。

《化工設(shè)計(jì)通訊》雜志被中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫全文收錄，為石油化工行業(yè)科研院所專家、石油化工大學(xué)教授、老師、學(xué)生，以及石油化工行業(yè)科技工作者刊載、交流學(xué)術(shù)成果、發(fā)表科研成果、發(fā)表學(xué)位論文、申報(bào)課題、申報(bào)中高級職稱提供一個重要平臺。

《化工設(shè)計(jì)通訊》雜志主要欄：合成氨與尿素、煤氣化與甲醇、化工教學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、勘探開發(fā)、石油工程、油氣開采、鉆井完井、化工裝備、化學(xué)工程、新材料與新技術(shù)、安全環(huán)保、化工能源、資源與環(huán)境、學(xué)術(shù)研究。歡迎投稿、薦稿！歡迎訂閱！歡迎刊登廣告！

Development and Application of Extruder Packer with Water

Liu Feng-ke

It is the main factor to control the high and stable production of oil field because of the abnormally active water layer and the rapid increase of water content in oil wells.To ensure effective segregation is the key to solve the problem.It is urgent to develop selfexpanding water with high operation and reliability.Tube packer，through the technical parameter formulation，the expansion principle and the influence factor research，the material preparation optimization，the product design，the appraisal experiment and the field test carry on effectively，causes each technology to achieve the design request，thus completely satisfies the cement well completes with controls Water process requirements，has a good application prospects.

Segmental Sealing；Self-expanding Packer with Water

TE931.2

A

1003-6490（2016）12-0017-02

2016-11-20

劉豐克（1988—），男，河南登封人，助理工程師，主要從事固井工具研發(fā)工作。