油田井下封隔器密封性能影響因素研究

張 峰

(1中石化勝利油田石油工程技術(shù)研究院 2中國石油大學(xué)·華東)

封隔器是油田實(shí)現(xiàn)井下分層注采的重要工具，大多是針對(duì)液體介質(zhì)的密封而研制。常用的壓縮式液壓封隔器由于本身結(jié)構(gòu)的局限，使其在承受上下交變壓差作用時(shí)對(duì)液體的密封能力明顯不足，更無法滿足對(duì)高壓氣體進(jìn)行可靠密封的要求。

隨著國內(nèi)外CO2驅(qū)油技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高壓氣密封管柱技術(shù)日益引發(fā)關(guān)注。國內(nèi)關(guān)于具備長期耐高壓氣密封能力的封隔器的研究應(yīng)用較少。塔里木、川東北等油氣田，應(yīng)用了高壓氣密封封隔器用于氣井采氣，但其封隔器等主要工具依賴國外引進(jìn)，且部分井依然存在密封效果不好的問題。為解決這一難題，需要從剖析封隔器的密封原理入手，找出影響其密封性能的關(guān)鍵因素及其作用規(guī)律，從而創(chuàng)新封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，指導(dǎo)新型封隔器的研制。

一、封隔器膠筒密封性能影響因素研究

實(shí)驗(yàn)研究表明，封隔器膠筒受力、膠筒材料及形狀、封隔器結(jié)構(gòu)等在不同程度上，對(duì)封隔器的密封性能產(chǎn)生影響，特別是封隔器坐封時(shí)膠筒坐封力的加載方式是決定封隔器整體氣密封能力的關(guān)鍵因素。

1.坐封力加載方式對(duì)密封性能的影響

坐封力加載方式?jīng)Q定了膠筒與套管徑向接觸應(yīng)力的分布[1]，而接觸應(yīng)力與膠筒的密封性能密切相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，膠筒的密封能力與接觸應(yīng)力近似成正比[2]，膠筒與套管的接觸應(yīng)力越大、越均勻，封隔器密封油套環(huán)空壓差的作用就越強(qiáng)。

楊秀娟[3]等研究了三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)z筒從一端加載力情況下軸向上膠筒接觸應(yīng)力的分布，如圖1。其研究成果以靜態(tài)形式反映了封隔器坐封后膠筒與套管的徑向接觸應(yīng)力在軸向上分布極不均勻，但其未考慮封隔器結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過程可能對(duì)密封性能造成的影響。為了深入剖析液壓封隔器密封高壓氣體能力不足的原因，結(jié)合封隔器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展了坐封力動(dòng)態(tài)加載過程對(duì)封隔器密封性能影響的實(shí)驗(yàn)研究。

研究設(shè)計(jì)了專用實(shí)驗(yàn)裝置，圖2所示為裝置原理圖。實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬液壓封隔器坐封力的加載過程和鎖緊機(jī)構(gòu)(鎖環(huán))的鎖緊、回退過程，并全過程記錄膠筒的受力、坐封距變化情況，通過觀察坐封距變化，進(jìn)而分析膠筒與套管接觸應(yīng)力的變化規(guī)律。

圖1 膠筒受力與坐封距關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)套管內(nèi)徑為121.3 mm，實(shí)驗(yàn)用膠筒為三膠筒結(jié)構(gòu)，長度/邵氏硬度分別為80 mm/85、70 mm/75、80 mm/85。在膠筒的右端設(shè)置了坐封液缸用于坐封膠筒；在膠筒兩端各設(shè)置了膠筒受力測試液缸，用以記錄膠筒在整個(gè)坐封過程中受力的變化情況。

實(shí)驗(yàn)記錄了15組測試數(shù)據(jù)，分別包括坐封液壓力、坐封距、壓縮端加載力(即坐封力)和非壓縮端受力，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了膠筒兩端受力與坐封距關(guān)系曲線圖見圖2。

圖2 封隔器膠筒受力與坐封距關(guān)系曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地反映了坐封過程中膠筒受力與坐封距的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。從圖2可以看出，壓縮端坐封力曲線斜率初始較小，在坐封距達(dá)30 mm以后，曲線斜率開始變陡。第5點(diǎn)的壓縮端加載力為28.5 kN，對(duì)應(yīng)的坐封距為31.3 mm，到第14點(diǎn)坐封過程完成時(shí)，壓縮端加載力為76.1 kN，坐封距為43.4 mm，從第5點(diǎn)到第14點(diǎn)，坐封力增大了47.6 kN(167.02%)，坐封距僅增加12.1 mm(38.7%)。膠筒非壓縮端的受力增長平緩，到第14點(diǎn)，非壓縮端受力只有坐封力的24.1%。從第5點(diǎn)之后的坐封過程后半段，變化較小的坐封距、急劇增長的坐封力和緩慢增長的左端受力，反映出右膠筒接觸應(yīng)力的快速增長，造成了膠筒局部與套管壁摩擦力的快速增加，阻礙了坐封力自膠筒右端向左端的傳遞。

在圖1的實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置了螺距為2 mm的鎖環(huán)，該鎖環(huán)不帶斜角。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，到第15點(diǎn)坐封結(jié)束，坐封液壓力泄壓為0時(shí)，鎖環(huán)回退1.7 mm，壓縮端受力下降了59.5%。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了液壓力短時(shí)間加載情況下，各膠筒與套管徑向接觸應(yīng)力分布的不均勻性，鎖環(huán)回退更是影響接觸應(yīng)力的重要因素。要提高并保持較高的接觸應(yīng)力，不僅要消除鎖環(huán)回退所帶來的影響，還應(yīng)考慮將坐封力加載方式由短時(shí)間作用改變?yōu)槌掷m(xù)施力，即在坐封液壓力泄壓之前，通過其它方式對(duì)膠筒再進(jìn)行加載，持續(xù)保持該加載力，然后再進(jìn)行坐封液壓力泄壓過程。這樣，膠筒可以保持持續(xù)受力狀態(tài)，有效避免最大接觸應(yīng)力的降低。

為了驗(yàn)證上述分析的成果，開展了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，在坐封液壓力泄去之前，縱向上給膠筒持續(xù)加載100～120 kN的坐封力，結(jié)果顯示，膠筒的坐封距在液壓力坐封基礎(chǔ)上又增加了8～10 mm。實(shí)驗(yàn)表明，在此加載力持續(xù)作用下，膠筒接觸應(yīng)力不僅得以保持，而且又有了進(jìn)一步提高。

2.膠筒結(jié)構(gòu)對(duì)密封性能的影響

在室內(nèi)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中多次出現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，密封較好的封隔器在高壓差時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)突然失效。圖3所示是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)失效的膠筒照片，實(shí)驗(yàn)是在120℃條件下進(jìn)行的，密封氣壓由25 MPa升至30 MPa，9 h后膠筒突然失效。失效膠筒表面相對(duì)完整，肩部卻嚴(yán)重碎裂，碎裂區(qū)域向膠筒內(nèi)部延伸。研究認(rèn)為，膠筒失效原因可歸結(jié)于橡膠材料產(chǎn)生的一種特殊的“氣爆”現(xiàn)象。

圖3 高壓差下失效的封隔器膠筒照片(120℃，30 MPa)

橡膠行業(yè)通常所述的氣爆現(xiàn)象是指：將橡膠置于高壓氣體中，然后急劇減壓，橡膠表面會(huì)出現(xiàn)鼓包破壞。封隔器膠筒在高壓差下失效破壞的形式與橡膠氣爆的破壞形式相類似。分析膠筒產(chǎn)生“氣爆”的原因，與膠筒材料本身的氣密性有關(guān)。橡膠材料的分子之間存在較大間隙，而CO2氣體分子較小，在壓力作用下，CO2分子能滲入橡膠件內(nèi)部，穿過橡膠件到壓力較低的一端滲出。

圖4為高壓氣體造成膠筒“氣爆”損壞原理分析示意圖，在壓力p的驅(qū)動(dòng)下，CO2分子滲入膠筒橡膠分子間隙并自右向左運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)膠筒左端附近。膠筒材料本身的非均質(zhì)性，易造成多個(gè)氣體分子聚集，進(jìn)而在膠筒內(nèi)部形成小的氣泡。由于膠筒周圍有鋼體支撐，絕大部分氣泡帶有高壓卻不能膨脹。膠筒左肩部，處于套管和端環(huán)間隙部位，無鋼體支撐，當(dāng)附近有氣泡形成時(shí)，膠筒材料的彈性力不足以支持小氣泡的壓力，氣泡和橡膠就會(huì)一起膨脹。而CO2分子在橡膠件內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是緩慢的，當(dāng)它們還來不及從膠筒左肩部滲出，氣泡的膨脹體積超過橡膠的彈性極限時(shí)，橡膠就會(huì)破裂。前一層的橡膠破裂了，向內(nèi)一層的橡膠就變成了第一層，破裂隨即發(fā)生，這種損壞會(huì)自左肩部開始并向右傳遞，使膠筒內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生碎裂而失效。

圖4 高壓氣體造成膠筒“氣爆”損壞原理分析示意圖

失效的膠筒外表面相對(duì)完整，是由于徑向上有套管內(nèi)壁的支撐作用保護(hù)了膠筒，使其外表面橡膠不會(huì)徑向膨脹，因而避免了外表面“氣爆”，同樣，如果在膠筒的端部設(shè)置鋼性支撐，也應(yīng)該能解決高壓差下膠筒內(nèi)部 “氣爆”的問題。

二、研究成果及應(yīng)用

在上述成果指導(dǎo)下，創(chuàng)新引入雙向加載持續(xù)壓縮的設(shè)計(jì)理念，指導(dǎo)研制了采用雙向液壓、管柱加載三重作用坐封的高壓氣密封封隔器[4-8]，圖5所示為氣密封隔器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。優(yōu)化設(shè)計(jì)的防“氣爆”膠筒端部帶有割縫雙層鋼碗，其割縫交錯(cuò)設(shè)置，鋼碗安裝在膠筒兩端并與膠筒硫化成一體，解決了膠筒在高壓差下產(chǎn)生“氣爆”的問題。

該封隔器實(shí)現(xiàn)了35 MPa雙向交變壓差作用下長期氣密封，現(xiàn)場應(yīng)用20口井，在提升油田井下封隔器高壓氣密封能力方面取得重大突破。

圖5 高壓氣密封隔器結(jié)構(gòu)示意圖(半剖，僅繪出下半側(cè))

三、認(rèn)識(shí)及結(jié)論

(1)指出傳統(tǒng)封隔器在耐高壓氣密封方面存在的不適應(yīng)性，開展了封隔器坐封力動(dòng)態(tài)加載過程對(duì)密封性能影響的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了膠筒坐封力加載方式對(duì)密封性能的影響規(guī)律，為新型封隔器的研制提供了理論依據(jù)。

(2)發(fā)現(xiàn)封隔器膠筒在高壓差注氣條件下的“氣爆”現(xiàn)象，闡明了“氣爆”產(chǎn)生的機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)的膠筒結(jié)構(gòu)，較好地解決了膠筒 “氣爆”的問題。

(3)創(chuàng)新研制新型注氣封隔器，實(shí)現(xiàn)了35 MPa雙向交變壓差作用下長期氣密封,能夠滿足CO2驅(qū)油田現(xiàn)場安全注氣生產(chǎn)需求。