遇水自膨脹管外封隔器的研制與應用

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）

水層異常活躍、油井含水上升過快是制約油田高產穩(wěn)產的主要因素，確保有效分段封隔是解決問題的關鍵。急需研制操作簡單、可靠性高、應用范圍廣的遇水自膨脹管封隔器，通過技術參數制定、膨脹原理與影響因素研究、材料制備優(yōu)選、產品設計、評價試驗及現場試驗的有效開展，使得各項技術達到設計要求，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)凝固時體積收縮，造成水泥環(huán)與套管膠結不好，出現通道，一旦生產中出水，極易造成竄流，導致含水量急劇上升，嚴重影響油田后續(xù)采收率。因此，需要研制一種操作簡單、可靠性高、應用范圍廣的遇水自膨脹封隔器，通過實現單向微間隙密封，從而達到層間隔離目的，滿足現場施工技術要求。

1 技術參數制定及設計思路

1.1 技術參數制定

結合《SY/T7017-2014遇油遇水自膨脹封隔器》標準和甲方工程技術要求，遇水自膨脹管外封隔器應滿足以下技術要求：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)定不易出現塌方應用工況下使用，固井過程中不發(fā)生膨脹，固井完成后膨脹材料緩慢膨脹，實現單向微間隙密封，達到技術指標要求。

1.2 設計思路

通過現場施工調研，原有的水力擴張式管外封隔器存在如下問題：

（1）本體存在一定數量排泄孔，破壞管串完整性；

（2）內部擋銷結構在開啟時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)設計上必須避免出現以上問題，在調研借鑒國內外同類產品結構的基礎上，新型遇水自膨脹管外封隔器的設計思路如下：

①總體結構分為膠筒和限位環(huán)兩部分；

②膠筒分為3層結構：外層為保護層，在一定時間內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；內層為隔離材料，遇水后向內單向微膨脹密封；

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

使用時將膠筒安裝在對應規(guī)格的套管上，由限位摩擦環(huán)錨緊定位。遇水后膠筒外保護層36h之內隔離水層；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，內層也向內單向微膨脹密封管體，從而實現隔離水層作用。

2 膨脹原理及影響因素研究

2.1 膨脹原理研究

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

2.2 膨脹影響因素研究

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

3 材料制備選型及試驗研究

3.1 材料制備

結合上述技術要求，通過市場采購相關原料，應用機械共混法，分別制備3種樣品作為膨脹材料，成分均以高聚合度碳氫鏈結構的疏水橡膠為主，以不同濃度和方向混入親水性物質或在主鏈上加入親水性基團為輔，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檢測機構進行性能評價，通過對3種樣品各個性能指標進行對比，第一次均不符合相關要求。隨后，經過3次改良親水物質濃度，終于制備出符合要求的樣品試塊，各項性能參數均符合相關要求。

3.3 自由膨脹評價試驗

將上述優(yōu)選制備出的試塊進行室內自由膨脹評價試驗，通過對膨脹倍率數據的測定，完成自由膨脹評價試驗過程。具體實驗過程為在化驗室常溫條件下，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，定時測定尺寸變化情況，形成數據分析。

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中的膨脹倍率參數均≥250%，滿足設計要求，為后續(xù)室內評價試驗的奠定基礎。

3.4 模擬井底評價試驗

在順利通過自由膨脹試驗的基礎上，進行模擬井底工況評價試驗，對實際膨脹倍率、承壓能力的等指標參數進行數據分析和對比。具體試驗過程為在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、井水和鉆井液中進行對比試驗，承壓密封試驗設定承壓5MPa。

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

4 產品設計

4.1 膠筒設計

膠筒外觀尺寸滿足符合標準規(guī)定，主要分為3層結構，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，內層采用緩慢膨脹材料，其中長度根據現場固井實際情況要求，可多種選擇。膠筒上下端均設計專用凸臺結構，與限位環(huán)配合固定。

4.2 限位環(huán)設計

新型限位環(huán)采用雙層結構設計，通過內層摩擦環(huán)上緊形變產生摩擦力從而錨定在套管實現快速定位，避免頂絲上緊帶來的套管損壞，外層表面增加滾花結構，方便人員上緊。采用高強度合金鋼加工，錨定強度高，可達到15kN以上。

5 現場應用

2016年10月，川慶鉆探長慶固井公司應用該新型遇水自膨脹管外封隔器在采油九廠畔204-99井進行控水現場試驗，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，滿足現場使用要求。

6 結論

1）該新型遇水自膨脹管外封隔器能實現單向微間隙密封，達到層間隔離目的，滿足現場施工技術要求。

2）具有使用簡單、適用性好等優(yōu)點，有利于推廣應用。3）已成功進行了現場固井試用，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用[J].石油礦場機械，2011，40（2）.

《化工設計通訊》雜志簡介

《化工設計通訊》雜志系經國家新聞出版廣電總署批準國內外公開發(fā)行的全國性石油化工科技類學術期刊，創(chuàng)刊于1975年，現為月刊，由湖南化工醫(yī)藥設計院主辦，主管單位為湖南省石油化學行業(yè)管理辦公室。是2014年國家新聞出版廣電總局《第一批認定的學術期刊名單（共5756種）》中的2804號。被美國化學文摘（CA）、中國期刊網（CNKI）、中國期刊全文數據庫（CJFD）、中國學術期刊綜合評價數據庫（CAJCED）、《中國學術期刊（光盤版）》等收錄。是中國科技論文統(tǒng)計源期刊。

《化工設計通訊》雜志被中國知網、萬方數據、中文科技期刊數據庫全文收錄，為石油化工行業(yè)科研院所專家、石油化工大學教授、老師、學生，以及石油化工行業(yè)科技工作者刊載、交流學術成果、發(fā)表科研成果、發(fā)表學位論文、申報課題、申報中高級職稱提供一個重要平臺。

《化工設計通訊》雜志主要欄：合成氨與尿素、煤氣化與甲醇、化工教學、工業(yè)生產、勘探開發(fā)、石油工程、油氣開采、鉆井完井、化工裝備、化學工程、新材料與新技術、安全環(huán)保、化工能源、資源與環(huán)境、學術研究。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。