海上熱采防砂封隔器研制與室內(nèi)試驗(yàn)

梁月松，盧道勝，周 歡，張啟龍2，徐鳳祥，楊立軍

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2. 中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459)

隨著渤海灣旅大21-2、旅大5-2北油田相繼開發(fā)，稠油油藏的有效動(dòng)用和低成本開采成為海上油藏開發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。采用蒸汽吞吐方式開發(fā)海上稠油的過程中，井底注汽溫度高達(dá)350 ℃，井筒封隔器在承受一輪次蒸汽吞吐作業(yè)后，容易出現(xiàn)密封失效，導(dǎo)致環(huán)空帶壓，注熱效率下降，被迫采取的換管柱作業(yè)將大幅度增加完井成本，嚴(yán)重影響稠油開發(fā)效益。熱采防砂封隔器作為稠油油藏和井筒環(huán)空封隔的主要工具，其密封性能的好壞直接影響蒸汽吞吐開發(fā)的效果。因此，滿足多個(gè)輪次蒸汽吞吐開發(fā)要求的熱采封隔器技術(shù)成為稠油熱采完井工具的主要攻關(guān)方向。

現(xiàn)有的熱采封隔器按照膠筒的密封機(jī)理分為擴(kuò)張式封隔器和壓縮式封隔器[2-6]。擴(kuò)張式封隔器密封材料一般采用熱脹式塑料或者熱敏金屬材料，密封材料受熱向外擴(kuò)張貼合套管實(shí)現(xiàn)密封，溫度降低后，密封材料收縮實(shí)現(xiàn)封隔器解封。壓縮式封隔器通常采用改性聚四氟乙烯作為主密封材料，封隔器在多輪次蒸汽吞吐過程中存在密封不嚴(yán)問題。同時(shí)改性聚四氟乙烯材料在350 ℃情況下會(huì)出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象，如果不進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容易出現(xiàn)擠出而導(dǎo)致密封失效的問題[7]。國(guó)外貝克休斯公司研制了以彈性碳復(fù)合材料(ECC)為密封材質(zhì)的膠筒，密封能力能夠達(dá)到315 ℃、22 MPa，不能夠滿足350 ℃注蒸汽的要求[8]。

筆者針對(duì)海上稠油開發(fā)多輪次密封要求，創(chuàng)造性地研制氟硅基材料+高強(qiáng)度玻璃纖維為密封材質(zhì)的膠筒，研發(fā)了一套適用于?244.5 mm熱采套管井的長(zhǎng)效密封防砂封隔器。通過模擬分析和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)膠筒材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)價(jià)優(yōu)化，并開展了封隔器全尺寸密封測(cè)試。室內(nèi)全尺寸整機(jī)試驗(yàn)表明：所研發(fā)的HPHT-215型長(zhǎng)效密封防砂封隔器能夠滿足耐溫350 ℃、耐壓21 MPa密封性能要求，并開展了高低溫多輪次密封性能評(píng)價(jià)測(cè)試，具有較高的技術(shù)優(yōu)越性、性能可靠性和經(jīng)濟(jì)效益性，具備較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

HPHT-215型防砂封隔器主要由坐封機(jī)構(gòu)、上接頭、芯軸、密封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)和下接頭組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

封隔器坐封需要配套專用坐封工具，采用液壓坐封的方式。密封機(jī)構(gòu)包括膠筒組合密封和解封機(jī)構(gòu)的軸孔密封。錨定機(jī)構(gòu)主要由卡瓦、卡瓦架、片彈簧、上錐體和下錐體組成?？ㄍ卟捎闷瑺羁ㄍ呓Y(jié)構(gòu)、雙向卡瓦設(shè)計(jì)，保證封隔器的承壓和懸掛能力。解封機(jī)構(gòu)主要由外筒、解封套、解封環(huán)和預(yù)應(yīng)力金屬C型圈組成。

1—導(dǎo)向接頭；2—坐封套；3—上接頭；4—芯軸；5—膠筒上壓座；6—鎖環(huán)；7—膠筒組合；8—膠筒下壓座；9—上錐體；10—卡瓦組合；11—防轉(zhuǎn)螺釘；12—下錐體；13—連接套；14—解封環(huán)；15—外筒；16—解封銷釘；17—解封套；18—預(yù)應(yīng)力金屬C型圈；19—下接頭。圖1 HPHT-215型防砂封隔器結(jié)構(gòu)

1.2 密封膠筒組合結(jié)構(gòu)

目前市面上耐溫性能最好的全氟醚材料(FFKM)膠筒也無(wú)法滿足350 ℃長(zhǎng)效密封的要求，密封膠筒組合的設(shè)計(jì)是保證封隔器350 ℃耐溫能力的核心技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)350 ℃ 長(zhǎng)效密封要求，經(jīng)過大量室內(nèi)試驗(yàn)論證，優(yōu)選的膠筒組合主密封采用雙膠筒結(jié)構(gòu)，密封材料采用特制的氟硅基復(fù)合材料，輔助密封采用改性聚四氟乙烯。通過在膠筒組合外部設(shè)計(jì)防擠出的聚醚醚酮護(hù)環(huán)和不銹鋼護(hù)肩，可以有效防止膠筒密封材料在350 ℃高溫下的軟化擠出，能夠?qū)崿F(xiàn)在溫度350 ℃ 環(huán)境下耐壓21 MPa的要求[8]。膠筒組合結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—隔環(huán)；2—主密封氟硅基橡膠；3—改性聚四氟乙烯護(hù)環(huán)；4—不銹鋼護(hù)肩；5—聚醚醚酮擋環(huán)。圖2 膠筒組合結(jié)構(gòu)

2 膠筒材質(zhì)的研究與評(píng)價(jià)

2.1 材料研制

封隔器膠筒主體密封采用氟硅基復(fù)合材料，該材料以氟基、硅基為主體，將氟基材料優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、耐燃料油和耐溶劑性與硅基材料耐高溫、壓縮回彈性有機(jī)結(jié)合，同時(shí)添加金屬和纖維增強(qiáng)劑，填充氟硅基分子間隙，有效提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。

氟硅基復(fù)合材料膠筒制造過程如圖3所示。為進(jìn)一步增強(qiáng)材料的抗擠出性能，創(chuàng)新性地引入高強(qiáng)度玻璃纖維，通過將玻璃纖維編織成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并將氟硅基材料裹敷其中，可以有效防止材料在高溫下的軟化擠出，大幅度提高了材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。

圖3 氟硅基膠筒研制示意圖

2.2 性能評(píng)價(jià)

2.2.1 氟硅基材料性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)特制的氟硅基材料的性能指標(biāo)，按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)制作了直條試樣[9]，試樣尺寸：長(zhǎng)度25 mm×寬度2.42 mm×厚度6 mm，并進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)共進(jìn)行了3次，從結(jié)果可以看出，氟硅基材料在室溫(25 ℃)下的拉伸強(qiáng)度在9.53～10.05 MPa，遠(yuǎn)高于FFKM的抗拉強(qiáng)度(5.5227 MPa)[8]，拉斷伸長(zhǎng)率在630%～660%。

圖4 氟硅橡膠材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試曲線(室溫25℃)

為評(píng)價(jià)350 ℃高溫環(huán)境對(duì)材料性能的影響，開展了氟硅基材料的高溫老化性能測(cè)試，將標(biāo)準(zhǔn)直條試樣置于350 ℃環(huán)境下35 d，并定期(7 d)取出部分樣件進(jìn)行硬度和拉伸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

從氟硅橡膠老化性能測(cè)試結(jié)果可以看出，材料抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降并趨于穩(wěn)定，35 d后抗拉強(qiáng)度能夠保持4.66 MPa，表現(xiàn)出比較優(yōu)異的耐高溫性能。同時(shí)，材料在高溫環(huán)境下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，表面硬度逐漸增加，拉斷伸長(zhǎng)率逐漸降低，材料表現(xiàn)出一定老化的跡象，35 d后材料的拉斷伸長(zhǎng)率由643.3%降低至343.6%并趨于穩(wěn)定，材料在350 ℃高溫加熱后依舊保持著較強(qiáng)的彈性性能。

圖5 氟硅橡膠材料350℃高溫老化性能測(cè)試

2.2.2 氟硅基膠筒性能評(píng)價(jià)。

為綜合評(píng)價(jià)氟硅基材料與高強(qiáng)度玻璃纖維網(wǎng)編織成的膠筒性能，制作了膠筒單環(huán)試樣，試樣結(jié)構(gòu)如圖6所示。在溫度350 ℃和370 ℃兩種環(huán)境下，對(duì)試樣開展了熱空氣老化測(cè)試[10]、拉伸強(qiáng)度測(cè)試[11]、壓縮回彈測(cè)試[12]和氦氣泄漏率測(cè)試[13]，并結(jié)合膠筒單環(huán)室溫測(cè)試情況，進(jìn)行了性能對(duì)比。

圖6 膠筒單環(huán)試樣

1) 試驗(yàn)方法。

①熱失重：試驗(yàn)樣片自由狀態(tài)，分別置于350 ℃和370 ℃兩種熱空氣工況下48 h，觀察碳化、破損，測(cè)試質(zhì)量損失率。

②壓縮回彈：試驗(yàn)樣片壓縮狀態(tài)，分別置于350 ℃和370 ℃熱空氣工況48 h，進(jìn)行壓縮回彈檢測(cè)，壓縮率30%時(shí)，測(cè)試回彈率。

③拉伸強(qiáng)度：試驗(yàn)樣片分別置于350 ℃和370 ℃熱空氣工況下48 h，降至室溫(25 ℃)，測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度。

④氦氣泄漏率檢測(cè)：試驗(yàn)樣片壓縮狀態(tài)(壓縮率30%)，分別置于350 ℃和370 ℃熱空氣工況48 h，進(jìn)行氦氣泄漏率檢測(cè)，測(cè)試泄漏率。

2) 試驗(yàn)結(jié)果。

①熱失重：370 ℃環(huán)境下，單環(huán)質(zhì)量損失平均值為27.29%，相較于350 ℃(質(zhì)量損失率14.56%)提高了12.73%。

②壓縮回彈：350 ℃環(huán)境下，單環(huán)壓縮回彈率為70%，相較于室溫(25 ℃)有明顯下降，370 ℃環(huán)境下壓縮回彈僅為31.6%，材料在350 ℃以上高溫環(huán)境下溫度敏感性較高。

③拉伸強(qiáng)度：室溫(25 ℃)環(huán)境下，膠筒單環(huán)的拉伸強(qiáng)度為16.8 MPa，相較于純氟硅基材料的拉伸強(qiáng)度(9.53～10.05 MPa)有了大幅度提升；膠筒在350 ℃環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度為11.5 MPa，玻璃纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)使膠筒在350 ℃高溫環(huán)境下仍然表現(xiàn)出很高的拉伸性能。在370 ℃環(huán)境下，單環(huán)拉伸強(qiáng)度降為6.34 MPa，膠筒性能有了明顯的下降。

④氦氣泄漏率檢測(cè)：370 ℃環(huán)境下，單環(huán)氦氣泄漏率為2.3×10-6Pa·m3/s，與350 ℃(2.02×10-6Pa·m3/s)環(huán)境相當(dāng)，相比室溫情況下略有下降。

350 ℃環(huán)境下試樣測(cè)試前后對(duì)比如圖7所示，在350 ℃和370 ℃環(huán)境下性能參數(shù)對(duì)比如圖8所示。

圖7 氟硅基材料單環(huán)試樣在350 ℃環(huán)境下測(cè)試前后對(duì)比圖

圖8 氟硅基材料單環(huán)試樣在350 ℃和370 ℃環(huán)境下性能參數(shù)對(duì)比

從膠筒單環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，高強(qiáng)度玻璃纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)大幅度提高了氟硅基材料在高溫環(huán)境下的性能，膠筒單環(huán)在350 ℃環(huán)境下各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，在370 ℃環(huán)境下性能指標(biāo)與350 ℃相比性能均有較大幅度的降低，為保持材料性能，材料使用環(huán)境應(yīng)控制在350 ℃以內(nèi)。

3 膠筒組合有限元分析

3.1 有限元模型的建立

按照設(shè)計(jì)尺寸對(duì)膠筒組合建立有限元模型，分析軟件采用Abaqus6.13，模型包含的材料有不銹鋼(膠筒護(hù)肩)、氟硅基橡膠(主膠筒)、PTFE(膠筒護(hù)環(huán))、PEEK(擋環(huán))、玻璃纖維(主膠筒輔料)及42CrMo(芯軸、套管和隔環(huán))，對(duì)膠筒組合進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖9所示。

圖9 膠筒組合有限元分析模型

主膠筒和玻璃纖維采用TIE連接，其余結(jié)構(gòu)之間建立Frictional接觸。

計(jì)算過程分2個(gè)計(jì)算步，均在350 ℃載荷環(huán)境下進(jìn)行，第1步沿不銹鋼護(hù)肩的上端面(沿-y向)施加350 kN壓縮載荷(最小坐封力)，壓縮直至結(jié)構(gòu)變形到最終狀態(tài)；第2步，保持350 kN載荷，在膠筒組合與筒壁之間的空隙施加21 MPa氣壓，通過觀察橡膠與側(cè)壁的接觸關(guān)系是否保持來(lái)評(píng)估其密封性能。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖10為膠筒組合在不同加載情況下壓縮變形的應(yīng)力云圖，可以看出在加載力為87.5 kN時(shí)，氟硅基橡膠開始變形貼合套管，隨著加載力的不斷增加，膠筒各組件不斷變形貼合內(nèi)外管壁，在加載力達(dá)到350 kN時(shí)，膠筒組合與內(nèi)外管壁處于完全壓實(shí)狀態(tài)，此時(shí)膠筒護(hù)肩處于脹開狀態(tài)并貼合套管，對(duì)膠筒起到支撐作用，該加載力350 kN即作為后續(xù)膠筒測(cè)試的最小坐封力。

圖10 膠筒組合坐封過程應(yīng)力云圖

圖11為膠筒組合在施加21 MPa壓力的情況下內(nèi)外表面接觸力云圖，從內(nèi)表面接觸力云圖可以看出，最大接觸力位置處于膠筒護(hù)肩和膠筒護(hù)環(huán)之間，該位置處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響膠筒密封壓力。為防止膠筒材料在高溫高壓密封過程中出現(xiàn)內(nèi)擠出問題，膠筒護(hù)肩采用倒鉤設(shè)計(jì)，同時(shí)添加了擋環(huán)結(jié)構(gòu)(如圖2)。膠筒外表面的最大接觸力位于主膠筒位置。

圖11 膠筒組合內(nèi)外表面接觸力云圖

圖12為膠筒組合在施加21 MPa壓力的情況下內(nèi)外表面最大主應(yīng)力云圖，從應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力的薄弱點(diǎn)位于膠筒護(hù)肩位置。護(hù)肩作為膠筒組合的關(guān)鍵部件，需要保證在350 kN加載力的作用下能夠完全撐開支撐膠筒，同時(shí)還需要足夠的強(qiáng)度，滿足21 MPa壓力的密封要求。通過選擇特種不銹鋼作為護(hù)肩材料，并進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，滿足了膠筒密封要求。

圖12 膠筒組合最大主應(yīng)力云圖

4 室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和參考文獻(xiàn)[14-18]，首先對(duì)HPHT-215型防砂封隔器密封膠筒進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)優(yōu)化試驗(yàn)，然后進(jìn)行全尺寸整機(jī)測(cè)試。試驗(yàn)流程如圖13所示。

圖13 整體試驗(yàn)流程

4.1 膠筒組合測(cè)試

膠筒組合測(cè)試主要用于膠筒組合的密封能力評(píng)價(jià)和優(yōu)選。室內(nèi)試驗(yàn)中，驗(yàn)封介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油，采用油浴的加熱方式，膠筒密封測(cè)試分別在350 ℃和降溫至120 ℃情況下穩(wěn)壓8 h，并持續(xù)循環(huán)8個(gè)輪次。試驗(yàn)過程考慮了鎖齒回退對(duì)膠筒組合密封性能的影響。試驗(yàn)內(nèi)容具體包括：①記錄實(shí)際的坐封力和坐封距，鎖齒回退量；②檢查記錄膠筒組合350 ℃多輪次密封性能。

通過室內(nèi)試驗(yàn)，優(yōu)選了3種組合結(jié)構(gòu)的高溫膠筒，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 3種組合結(jié)構(gòu)高溫膠筒測(cè)試結(jié)果

對(duì)于結(jié)構(gòu)定型的熱采膠筒組合，記錄了加載力和壓縮距的關(guān)系，如圖14。從曲線可以看出，隨著加載力的增加，壓縮距不斷增大并逐漸趨于平緩，在加載力為350 kN時(shí)，壓縮距為39 mm，此時(shí)膠筒組合已經(jīng)處于壓實(shí)狀態(tài)。該測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果一致。

圖14 定型熱采膠筒組合加載力和壓縮距測(cè)試結(jié)果

4.2 全尺寸整機(jī)測(cè)試

封隔器全尺寸整機(jī)測(cè)試的流程如圖15所示，封隔器下入試驗(yàn)井筒后，中心管加壓坐封，氮?dú)獗猛ㄟ^上腔和下腔管線驗(yàn)封，通過循環(huán)導(dǎo)熱油實(shí)現(xiàn)井筒加溫和降溫。封隔器整機(jī)測(cè)試分為功能測(cè)試和高低溫交變測(cè)試。

圖15 封隔器整機(jī)測(cè)試流程

4.2.1 功能測(cè)試

功能測(cè)試主要用于檢驗(yàn)封隔器整體功能，包括坐封性能、常溫密封性能、錨定性能和解封性能。圖16為封隔器整機(jī)下入測(cè)試井筒。

圖16 封隔器整機(jī)下入測(cè)試井筒

4.2.2 高低溫交變測(cè)試

在封隔器常溫密封性能測(cè)試完成后，開始封隔器高低溫交變測(cè)試(測(cè)試流程如圖13所示)，用來(lái)檢驗(yàn)封隔器在350 ℃高溫密封性能和高低溫交變密封性能。

4.2.3 測(cè)試結(jié)果

全尺寸整機(jī)測(cè)試表明：封隔器在常溫下坐封、密封、錨定和解封性能完好，坐封壓力24 MPa(折合坐封力350 kN)、密封壓力21 MPa，時(shí)間15 min，壓降小于1%，功能測(cè)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

封隔器在350 ℃至120 ℃高低溫交變下測(cè)試了8個(gè)輪次，每次穩(wěn)壓時(shí)間8 h，試驗(yàn)結(jié)果如圖17～18所示。在350 ℃環(huán)境下，封隔器測(cè)試8個(gè)輪次后，密封性能保持穩(wěn)定，21 MPa穩(wěn)壓8 h，壓降小于10%。

降溫至120 ℃后，在1～2輪次下密封性能穩(wěn)定，21 MPa穩(wěn)壓8 h，壓降小于10%；3～4輪次密封測(cè)試后性能出現(xiàn)下降，8輪次測(cè)試后，密封能力維持在10 MPa，滿足海上高溫注熱，低溫開采的使用要求。

圖17 封隔器在1～4輪次高低溫交變下試驗(yàn)曲線

圖18 封隔器在5～8輪次高低溫交變下試驗(yàn)曲線

圖19為封隔器膠筒組合整機(jī)測(cè)試前后狀態(tài)圖，可以看出膠筒狀態(tài)完好，沒有出現(xiàn)軟化擠出問題，膠筒護(hù)肩張開狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明封隔器的各項(xiàng)性能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件。

圖19 整機(jī)測(cè)試前后膠筒組合狀態(tài)

5 結(jié)論

1) HPHT-215型熱采防砂封隔器膠筒組合密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，封隔器在350 ℃至120 ℃高低溫交變下密封性能良好，具備熱采井長(zhǎng)效密封能力。

2) 室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)了氟硅基材料的耐溫性能，測(cè)試結(jié)果表明：特制的氟硅基材料具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，通過設(shè)計(jì)氟硅基材料+玻璃纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效提升了材料在高溫下的強(qiáng)度和抗擠出性能。

3) 通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，優(yōu)化了膠筒結(jié)構(gòu)。膠筒測(cè)試結(jié)果表明：氟硅橡膠(雙膠筒結(jié)構(gòu))+金屬隔環(huán)+PTFE護(hù)環(huán)+PEEK擋環(huán)+不銹鋼護(hù)肩結(jié)構(gòu)膠筒組合滿足耐溫350 ℃、耐壓21 MPa密封要求，測(cè)試后膠筒狀態(tài)完好。

4) 室內(nèi)全尺寸整機(jī)測(cè)試，檢驗(yàn)了封隔器的坐封、錨定、密封和解封性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：封隔器各項(xiàng)性能可靠，滿足海上350 ℃高溫注熱，低溫開采的耐溫耐壓要求，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件。