管內自膨脹封隔器的研制與應用

鄭金中，楊萬有，程心平，沈 瓊，鄒明華，王 瑤

（中海油能源發展工程技術分公司，天津300457）①

管內自膨脹封隔器的研制與應用

鄭金中，楊萬有，程心平，沈 瓊，鄒明華，王 瑤

（中海油能源發展工程技術分公司，天津300457）①

目前，自膨脹封隔器的應用領域僅限于鉆完井中。為了滿足油田生產工藝的特殊需求，開發了適合于套管內使用的管內自膨脹封隔器。針對常規管內封隔器的技術特點及設計要求，優化了自膨脹橡膠材料的性能參數，并設計了2種不同結構的封隔器以及測試井專用過纜封隔器，以滿足不同的生產需求。通過室內模擬試驗，對管內自膨脹封隔器的坐封、承壓和解封性能進行測試，并成功應用于油管堵漏作業中。可用于防砂管內分層采油與分層測試的自膨脹封隔器也即將應用于現場。

封隔器；遇水／油膨脹；結構

自膨脹封隔器作為一種新型自封封隔器，它以遇油或者遇水膨脹橡膠作密封材料，通過與井眼內液體接觸發生體積膨脹，實現充填并密封環空［1］。

自膨脹封隔器在國外完井領域的應用已有10 a時間［2］。國內在自膨脹封隔器的研究方面起步較晚，近幾年隨著水平井裸眼完井技術的發展，推動了自膨脹封隔器的快速發展，部分產品在水平井分段完井、裸眼篩管完井等領域成功應用［3］。自膨脹封隔器的結構簡單、應用靈活和性能可靠，解決了水平井完井方面的諸多問題［4］。在油水井生產管柱中，同樣可以替代部分常規封隔器，完成其他工具不可能完成的任務。

筆者針對管內分層封隔器的特點進行研究，重點解決3個問題：

1） 尺寸問題 常規完井用自膨脹封隔器尺寸均較大，通過加厚、加長橡膠材料來保證密封效果。但在油套管、防砂完井管柱內，封隔器的外徑、長度均受到限制。為了保證較好的下入通過性能，密封段不易超過1 m。

2） 結構問題 為了保證膠筒的承壓及解封性能，防止膠筒肩部突起，影響密封與解封，膠筒肩部需要進行保護。

3） 解封問題 生產用管內封隔器需要回收，設計時需要考慮坐封后易于解封。

1 自膨脹橡膠材料的性能優化

針對套管內封隔器的使用要求，需要提高橡膠材料的單位長度密封強度，優化高溫老化性能。對橡膠材料開展以下性能試驗：膨脹性能試驗，膨脹后強度試驗，不同溫度下膨脹性能試驗，耐酸堿、耐腐蝕性試驗，高礦化度試驗，老化性能檢驗。優化后遇水膨脹橡膠材料的關鍵性能指標如表1，符合管內長期使用的要求。

表1 遇水膨脹橡膠材料性能指標

2 自膨脹封隔器的設計

2.1 結構設計

2.1.1 套裝式結構

套裝式結構的自膨脹膠筒為獨立模壓成型，同普通封隔器膠筒一樣，可標準化批量生產。圖1為1種用于油套管內堵漏的自膨脹封隔器結構，主要由上下連接頭、自膨脹膠筒組件構成，結構簡單。為增強密封效果，設計雙膠筒結構，肩部45°護環防止肩突，提高承壓能力。

圖1 套裝式自膨脹封隔器結構

2.1.2 一體式結構

一體式結構的自膨脹膠筒與封隔器中心管硫化成一體，封隔器的制造只能依據硫化后的組合件結構來設計加工。圖2為1種用于套管完井或防砂完井層間隔離的自膨脹封隔器，主要由上下連接頭、護環及密封組件構成，其關鍵技術是密封件的設計，通過高溫高壓硫化工藝，將橡膠材料與鋼管硫化成一體，增強了封隔器的承壓能力。為防止高壓下肩部破壞，加長設計了膠筒肩部護罩，延長其膠筒使用壽命。

圖3為1種過電纜型自膨脹封隔器，在一體式結構的基礎上，通過側切膠筒、2端安裝電纜壓帽等方式，實現井下測試電纜的整體無損穿越。

圖2 一體式自膨脹封隔器結構

圖3 過電纜自膨脹封隔器

2.2 主要技術參數

1） 套裝式自膨脹封隔器 膠筒總長160 m m，耐溫150℃，耐壓差10 M Pa，完全坐封時間為5 d（可調）。

2） 一體式自膨脹封隔器 膠筒總長500 m m，耐溫150℃，耐壓差20 M Pa，完全坐封時間為10 d（可調）。

2.3 性能特點

1） 自膨脹封隔器結構簡單，性能可靠，適用于多種井下管柱，不影響其他工藝的實施。

2） 機械結構簡單，外形尺寸小，特別適合小井眼作業。

3） 利用自膨脹材料的自修復能力，可以實現電纜的無損穿越。

4） 2種設計結構適用于不同的工況：套裝式結構的加工成本較低，適合批量生產，但是耐壓等級不高；一體式結構的加工成本較高，可適用于高壓差、需要長期密封的井況。

3 室內試驗

油套管內封隔器不同于裸眼井封隔器，要求具有尺寸小且易解封。因此，針對使用環境特點與要求，采用圖4所示試驗方法，進行了套管內耐壓與解封性能試驗。

圖4 封隔器試驗示意

內耐壓試驗：自膨脹封隔器置于試驗工裝中加清水浸泡10 d，開泵試壓，逐步升壓、穩壓，觀察泵壓與出液孔，并記錄試驗數據，最高壓力達到23 M Pa，壓力穩定，出口未見滲漏，滿足20 M Pa的設計指標。

解封性能試驗：利用試壓泵一端加壓，另一端拆除支撐，試壓泵瞬間最高壓力1.5 M Pa，折合最大解封力17 k N。封隔器解封啟動后，泵壓小于0.5 M Pa，摩擦力小于5 k N。

4 應用情況

4.1 防砂管內分層采油注水工藝

用于代替常規插入密封分層方式，能適用于防砂管柱密封光筒損壞或沒有密封光筒的井筒，依靠膨脹材料的自修復能力，實現在破損密封筒內的分層。封隔器具體設計結構可參照圖1～2的結構，并根據現場需求設計。

4.2 水平井管內分層測試工藝［5］

自膨脹封隔器通過設計側面電纜槽，實現測試纜的無損穿越，同時利用自膨脹材料自修復能力，封隔器坐封后電纜槽自動填實，再次形成密封。如圖3所示，該種封隔器宜采用一體式結構設計，開槽后工作壓差最高可達15 M Pa。

4.3 油管穿孔后堵漏工藝

生產管柱油管發生腐蝕穿孔后，利用一組小直徑的自膨脹封隔器（考慮到壓差等級），采用圖1套裝式結構，卡在漏點上下，遇水后膨脹形成堵漏效果。圖5為渤海地區某油田電泵生產井，由于井口以下130 m發生油管穿孔，油壓下降，套壓上升。通過電纜下入，儀器找出漏點，然后利用吊車作業下入小油管，底部帶兩支遇水膨脹封隔器，懸掛于生產油管頂部。5 d后，漏點完全封住，油井恢復正常生產，液量60 m3／d，油壓3.8 M Pa，套壓0.8 M Pa。施工過程未動用修井機、泵車及其他大型設備，僅通過吊車施工6 h完成，節省了大量的修井成本。

圖5 堵漏管柱示意

5 結論

1） 通過室內試驗及現場應用表明，自膨脹封隔器能夠廣泛應用于油套管內，代替常規封隔器實現各種特殊作業。

2） 自膨脹封隔器可實現電纜的無損穿越，可作為智能完井分層工具。

3） 管內自膨脹封隔器的耐溫耐壓性能可進一步得到提升，從而擴大其應用領域，發揮其技術優勢。

［1］ 楊德鍇，杜鵬德.自膨脹封隔器封壓性能技術分析［J］.石油礦場機械，2013，42（2）：59-62.

［2］ 沈澤俊，童征.遇水自膨脹封隔器研制及在水平井中的應用［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：38-41.

［3］ 許國林，李博.?140型裸眼分段壓裂套管外封隔器的研制［J］.石油機械，2011，39（7）：54-55.

［4］ 沈澤俊，高向前.遇油自膨脹封隔器的研究與應用［J］.石油機械，2010，38（1）：39-43.

［5］ 張國文，沈澤俊，童征，等.遇油＼遇水自膨脹封隔器在水平井完井中應用［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：41-44.

Develop ment and Application of Casing Swellable Packer

Z H E N G Jin-zhong，Y A N GW an-you，C H E N G Xin-ping，S H E N Qiong，Z O UMin-hua，W A N G Yao
（C N O O C EnerTec-Drilling&Production Co．，Tianjin300457，China）

At present，the applying field of swellable packer is limited to drilling and co m pletion.In order to meet the special needs of oil production technology a kind of swellable packer for casing and tubing inner was developed.In accordance with the technicalfeatures of the conventional casing packer and design requirements，the performance para meters of rubber materials，and tw o different structures of packer were designed and cable packer of zonal testing was optimized to meet different production requirements.By a large nu m ber of sim ulation experiment，the casing swellable packer setting，the co m prehensive test has been carried on for pressure-bearing and releasing，and successfully applied to the tubing plugging operation.At the same time，the swellable packer used for zonal production and zonal testing in sand control string will be appl ied in the field.

packer；water／oil swell；structure

T E931.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.018

1001-3482（2014）08-0082-03

2014-02-07

中國海洋石油總公司科技攻關項目“海上低滲油田水平井分段壓裂管柱設計關鍵工具研制”（FCJF2011-03）

鄭金中（1977-），男，湖北黃岡人，高級工程師，主要從事海上采油工藝及井下工具的研究，E-mail：1085280041＠qq.co m.