井下封隔器氣體密封性能試驗(yàn)研究

田啟忠

（勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng)257000）

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井下封隔器氣體密封性能試驗(yàn)研究

田啟忠

（勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng)257000）

摘要：針對(duì)通過(guò)液體介質(zhì)來(lái)模擬封隔器對(duì)氣體密封性這一方法的不足，設(shè)計(jì)了封隔器氣體密封性能試驗(yàn)。將試驗(yàn)用模擬封隔器安裝于高壓筒中，高壓筒置于恒溫箱內(nèi)，將高壓筒和恒溫箱通過(guò)試壓管線(xiàn)、坐封管線(xiàn)和氣體泄漏收集管線(xiàn)與密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)連接，再由高壓氣源生成裝置供氣模擬井下高壓注氣過(guò)程，來(lái)驗(yàn)證井下封隔器對(duì)氣體的密封性能，其結(jié)果更符合實(shí)際工作狀況。結(jié)果表明：室內(nèi)模擬試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)樽夥飧羝髅芊饧慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和材質(zhì)優(yōu)選做出指導(dǎo)方案，為注氣驅(qū)油技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：注氣；封隔器；高溫；氣體密封；試驗(yàn)

為提高油田采收率，補(bǔ)充地層能量，很多低滲透油藏進(jìn)行了氣驅(qū)開(kāi)發(fā)，即在油田中布置一些注氣井，使用注氣管柱進(jìn)行注氣生產(chǎn)［1］。井下注氣管柱中包含注氣封隔器，封隔器上使用了橡膠類(lèi)密封件，密封件的材料與結(jié)構(gòu)直接影響了封隔器的密封性能。封隔器通常安裝在井下約3 000 m深度，環(huán)境溫度398 ～418 K，壓力30～60MPa。在此工作條件下，封隔器的密封件必須把注入氣體可靠地密封在封隔器以下，這就需要一種驗(yàn)證方法來(lái)確定它對(duì)氣體的密封性能。

1 問(wèn)題分析

現(xiàn)有的試驗(yàn)方法是在地面上將井下封隔器的成品放置于套管中，利用液壓坐封封隔器后，用液壓泵向封隔器膠筒和套管形成的密封空間內(nèi)打清水，來(lái)檢驗(yàn)封隔器的氣密封性能［2］。這種試驗(yàn)方法存在以下不足：①液體和氣體介質(zhì)本身存在較大差異，用液體作為介質(zhì)來(lái)檢驗(yàn)封隔器密封氣體的能力缺乏說(shuō)服力；②地面試驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的，無(wú)法模擬井下高溫高氣壓的實(shí)際環(huán)境，試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏說(shuō)服力；③試驗(yàn)過(guò)程中若出現(xiàn)封隔器密封不好，流體出現(xiàn)泄漏的情況時(shí)，則只能通過(guò)肉眼觀察進(jìn)行計(jì)量描述，缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性；④整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程處于高壓環(huán)境下，對(duì)操作人員存在安全隱患。

為了解決上述問(wèn)題，確定井下注氣封隔器的氣密性能，需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)密封件進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究［3］，通過(guò)模擬井下的溫度、壓力與高壓氣體環(huán)境，以氣體為介質(zhì)檢驗(yàn)封隔器密封性能，并且能準(zhǔn)確計(jì)量氣體漏失速度，為密封件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材質(zhì)優(yōu)選提供方案。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原理

井下封隔器氣體密封性能的試驗(yàn)方法是將試驗(yàn)用模擬封隔器安裝于高壓筒中，高壓筒置于恒溫箱內(nèi)，將高壓筒和恒溫箱通過(guò)試壓管線(xiàn)、坐封管線(xiàn)和氣體泄漏收集管線(xiàn)與密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)連接，驗(yàn)證高壓筒中試驗(yàn)用模擬封隔器的密封性能。

密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)使用的試驗(yàn)介質(zhì)為C O2或N2。試驗(yàn)用模擬封隔器設(shè)計(jì)有坐封活塞和密封件，坐封活塞和密封件都套裝在中心管上，擠壓密封件可密封中心管與高壓筒之間的環(huán)空［4］。

在井下封隔器氣體密封性能的試驗(yàn)方法中，使用的密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)包括高壓氣源生成裝置、泄漏氣體計(jì)量裝置和控制裝置。試壓管線(xiàn)和坐封管線(xiàn)均與高壓氣源生成裝置連接，氣體泄漏收集管線(xiàn)與泄漏氣體計(jì)量裝置連接，控制裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)分別與安裝在高壓氣源生成裝置中的壓力傳感器、安裝在恒溫箱中的溫度傳感器和安裝在泄漏氣體計(jì)量裝置中的液位傳感器連接，用高壓氣源生成裝置坐封試驗(yàn)用模擬封隔器，試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)流程如圖1所示。

高壓氣源生成裝置包括氣瓶、氣體增壓泵和高壓儲(chǔ)氣瓶，氣瓶依次連接壓力表、氣瓶開(kāi)關(guān)、單流閥和高壓儲(chǔ)氣瓶，其中氣體增壓泵還與驅(qū)動(dòng)閥和空氣壓縮機(jī)連接。氣體增壓泵設(shè)置有控制閥，單流閥的球座設(shè)置于氣體增壓泵一側(cè)。氣體增壓泵的作用是將低壓氣源轉(zhuǎn)換為高壓氣源，其中低壓氣源由氣瓶提供，出口順次連接壓力表和氣瓶開(kāi)關(guān)，然后接入氣體增壓泵的低壓進(jìn)氣口；氣體增壓泵由空氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，中間通過(guò)驅(qū)動(dòng)閥控制，氣體增壓泵的高壓出氣口接單流閥，然后進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣瓶；高壓儲(chǔ)氣瓶能儲(chǔ)存壓縮試驗(yàn)用氣體，減少由于空氣壓縮機(jī)排氣不連續(xù)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)供氣和用氣的平衡，同時(shí)起穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用。

1—?dú)馄浚?—壓力表；3—?dú)馄块_(kāi)關(guān)；4—?dú)怏w增壓泵；5—單流閥；6—高壓儲(chǔ)氣瓶；7—安全泄壓閥；8—驅(qū)動(dòng)閥；9—空氣壓縮機(jī)；10—壓力傳感器；11—試壓進(jìn)氣閥；12—坐封進(jìn)氣閥；13—試壓泄氣閥；14—坐封泄氣閥；15—恒溫箱；16—高壓筒；17—坐封活塞；18—密封件；19—溫度傳感器；20—?dú)怏w收集閥；21—進(jìn)水閥；22—計(jì)量罐；23—液位傳感器；24—放氣閥；25—溢流管；26—控制柜；27—試壓口；28—坐封口；29—測(cè)試口；30—防護(hù)墻。圖1 封隔器氣體密封性能試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)流程

高壓儲(chǔ)氣瓶的出口管線(xiàn)通過(guò)三通管分別與試壓管線(xiàn)和坐封管線(xiàn)連接，在三通管與高壓儲(chǔ)氣瓶之間的出口管線(xiàn)與壓力傳感器連接；高壓儲(chǔ)氣瓶上安裝有安全泄壓閥，防止壓力過(guò)高產(chǎn)生危險(xiǎn)；高壓儲(chǔ)氣瓶出口管線(xiàn)與三通管之間安裝的壓力傳感器的數(shù)據(jù)線(xiàn)連接至控制裝置的控制柜。試壓管線(xiàn)連接試壓進(jìn)氣閥后，經(jīng)由恒溫箱的試壓進(jìn)氣口與高壓筒的試壓口連接；在試壓進(jìn)氣閥與恒溫箱的試壓進(jìn)氣口之間的試壓管線(xiàn)上還接有試壓泄壓管線(xiàn)，其上設(shè)置有試壓泄氣閥；坐封管線(xiàn)連接坐封進(jìn)氣閥后，經(jīng)由恒溫箱的坐封進(jìn)氣口與高壓筒的坐封口連接，在坐封進(jìn)氣閥與恒溫箱的坐封進(jìn)氣口之間的坐封管線(xiàn)上還接有坐封泄壓管線(xiàn)，其上接有坐封泄氣閥；坐封管線(xiàn)與恒溫箱的坐封進(jìn)氣口以及高壓筒的坐封口的連接處均采用密封方式連接；試壓管線(xiàn)與恒溫箱的試壓進(jìn)氣口以及高壓筒的試壓口的連接處也采用密封方式連接，保證整套試驗(yàn)系統(tǒng)的總體密封性。

泄漏氣體計(jì)量裝置包括計(jì)量罐，計(jì)量罐中放置有液位傳感器，計(jì)量罐的罐體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，其頂蓋和底座的材質(zhì)為不銹鋼。底座一側(cè)連接氣體泄漏收集管線(xiàn)，氣體泄漏收集管線(xiàn)另一端依次連接進(jìn)水閥和氣體收集閥后，經(jīng)由恒溫箱的測(cè)量出氣口與高壓筒上的測(cè)試口連接，其中進(jìn)水閥與進(jìn)水管線(xiàn)連接；罐體底座下方還連接有溢流管，溢流管是U形管，其未端是上返式溢流口。計(jì)量罐的頂蓋上裝有放氣閥，液位傳感器從頂蓋中裝入罐體內(nèi)。計(jì)量罐的罐體、頂蓋、底座以及液位傳感器和氣體泄漏收集管線(xiàn)的連接處均采用密封方式連接。

控制裝置包括控制柜、控制面板和數(shù)據(jù)處理器，控制柜中的數(shù)據(jù)線(xiàn)與控制面板和數(shù)據(jù)處理器連接；安裝在高壓氣源生成裝置中的壓力傳感器、安裝在恒溫箱中的溫度傳感器和安裝在泄漏氣體計(jì)量裝置中的液位傳感器均與控制柜連接。高壓氣源生成裝置和泄漏氣體計(jì)量裝置的閥門(mén)和開(kāi)關(guān)以及恒溫箱的溫度調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)均分布在控制面板上，通過(guò)毛細(xì)鋼管、數(shù)據(jù)線(xiàn)和電纜與高壓氣源生成裝置和泄漏氣體計(jì)量裝置相連。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲(chǔ)均通過(guò)數(shù)據(jù)處理器中的處理軟件完成。

氣體增壓泵設(shè)置的控制閥可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理器設(shè)定上下閾值，使高壓儲(chǔ)氣瓶的壓力保持在一定范圍內(nèi)，低于下限值能夠自動(dòng)啟動(dòng)氣體增壓泵進(jìn)行補(bǔ)壓，高于上限值能夠自動(dòng)停止工作?？刂蒲b置與高壓氣源生成裝置和泄漏氣體計(jì)量裝置之間設(shè)有防護(hù)墻，將控制裝置置于防護(hù)墻的一側(cè)，其他所有設(shè)備放置在防護(hù)墻的另一側(cè)，防止意外情況發(fā)生［5］，保障操作人員的人身安全，保證試驗(yàn)過(guò)程的安全可靠性。

2.2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)前先把模擬封隔器與高壓筒裝配好，連接好各個(gè)設(shè)備及各條管線(xiàn)，打開(kāi)恒溫箱的電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理器設(shè)定試驗(yàn)溫度，并進(jìn)行預(yù)熱。恒溫箱中的溫度傳感器將溫度數(shù)據(jù)傳送到控制柜以及數(shù)據(jù)處理器的顯示器；然后在數(shù)據(jù)處理器上設(shè)定氣體增壓泵的上、下壓力閾值；打開(kāi)計(jì)量罐的氣體收集閥和放氣閥，保證試驗(yàn)用模擬封隔器坐封過(guò)程中受擠壓的空氣順利排出［6］。

等溫度達(dá)到設(shè)定值后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，打開(kāi)氣瓶開(kāi)關(guān)，關(guān)閉試壓進(jìn)氣閥、坐封進(jìn)氣閥、試壓泄氣閥、坐封泄氣閥，開(kāi)動(dòng)空氣壓縮機(jī)和氣體增壓泵，將氣瓶里出來(lái)的低壓氣體轉(zhuǎn)換成高壓氣體，并在高壓儲(chǔ)氣瓶中蓄能增壓。如果高壓儲(chǔ)氣瓶中的壓力高于安全壓力，則安全泄壓閥打開(kāi)進(jìn)行泄壓；高壓儲(chǔ)氣瓶的壓力可通過(guò)壓力傳感器傳送至控制柜以及數(shù)據(jù)處理器的顯示器上。當(dāng)壓力滿(mǎn)足試驗(yàn)要求時(shí)，打開(kāi)坐封進(jìn)氣閥，利用高壓氣體推動(dòng)坐封活塞擠壓密封件，受擠壓的空氣通過(guò)放氣閥排出［7］，密封件被擠壓變形后通過(guò)坐封活塞上的鎖環(huán)鎖定在中心管上，防止回彈，坐封完成后關(guān)閉坐封進(jìn)氣閥，打開(kāi)坐封泄氣閥將坐封活塞上部的氣壓泄掉。

關(guān)閉氣體收集閥，通過(guò)進(jìn)水閥向計(jì)量罐中加入清水，直至溢流管有清水溢出，然后關(guān)閉進(jìn)水閥和放氣閥。

打開(kāi)試壓進(jìn)氣閥和氣體收集閥，檢驗(yàn)密封件的密封情況，若密封不良，高壓氣體就會(huì)從試壓口突破密封件［8］，從測(cè)試口沿氣體泄漏收集管線(xiàn)進(jìn)入計(jì)量罐中，由于罐體是完全密封的，泄漏的氣體在罐體上部聚集，將清水通過(guò)溢流管排出，清水的液面高度通過(guò)液位傳感器傳送至控制柜和數(shù)據(jù)處理器，并將液面高度轉(zhuǎn)換為泄漏氣體的體積。

試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉試驗(yàn)系統(tǒng)的所有試驗(yàn)設(shè)備，打開(kāi)試壓泄氣閥將高壓儲(chǔ)氣瓶和高壓筒中的氣壓泄掉［9］。然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理器分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分析試驗(yàn)用模擬封隔器密封件的氣體密封性能。

3 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

在對(duì)橡膠的硬度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、體積變化、質(zhì)量變化等性能指標(biāo)高溫測(cè)試后［10］，優(yōu)選日本瑞翁的丁腈橡膠H 1010-1和H 2010-1兩組橡膠材料作為封隔器密封件進(jìn)行高溫氣密封性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：介質(zhì)氣體N2，試驗(yàn)溫度393 K，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。433 K高溫條件下橡膠性能數(shù)據(jù)如圖2所示。

在393 K試驗(yàn)條件下，編號(hào)為H 1010-1的橡膠密封件在35MPa及以下的壓力范圍內(nèi)對(duì)氣體的密封能力較好，當(dāng)超過(guò)35MPa時(shí)，開(kāi)始有氣體滲漏；編號(hào)為H 2010-1的橡膠密封件超過(guò)20MPa就開(kāi)始?xì)怏w滲漏，隨著壓力的升高，氣體的泄漏速度急劇增大。因此，編號(hào)為H 1010-1的橡膠材料對(duì)氣體的密封能力能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)35MPa注氣壓差的工藝要求，更適合作為井下注氣封隔器的密封件使用。

表1　封隔器密封件高溫氣密封性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1） 試驗(yàn)系統(tǒng)利用恒溫箱和高壓氣源生成裝置模擬井下實(shí)際的高溫高壓注氣環(huán)境，能驗(yàn)證封隔器對(duì)氣體的密封能力，試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際工作狀況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具說(shuō)服力。

2） 試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)泄漏氣體計(jì)量裝置，能夠?qū)Ω邏簹怏w突破封隔器密封件的速度和時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，能夠分析封隔器在注氣作業(yè)時(shí)密封氣體的能力。

3） 高溫高壓氣源生成裝置以及泄漏氣體計(jì)量裝置與控制裝置分布在防護(hù)墻的兩側(cè)，大幅提高了試驗(yàn)的安全性。

4） 試驗(yàn)系統(tǒng)可為井下注氣封隔器密封件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材質(zhì)的優(yōu)選做出指導(dǎo)方案，提高注氣管柱的使用壽命，為注氣驅(qū)油技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Gas Tightness Test Research of DoWnhole Packer

TIAN Qizhong
（Reseɑrch Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Compɑny，Dongying 257000，Chinɑ）

Abstract：Based on liquid mediu m to sim ulate the packer of the method of tightness，packer gas sealing performance test was designed. The packer for test was in high pressure cylinder and the high pressure was in therm ostat box，which were connected with high pressure piping，seating piping，and gas leakage collector and sealing performance system. A gain，high pressure source generator to imitate dow nhole high pressure injection to verify dow nhole gas sealing test，the result of which could be more close to actual condition. The result showed that the in-door imitation test could test gas injection packer parts and the materials used in packer，which is for more use in the gas injection technology.

Key Words：gas injection；packer；high Temperature；gas seal；test

作者簡(jiǎn)介：田啟忠（1984-），男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，主要從事鉆完井、采油及修井工作，E-mail：tianqizhongcs @ 163. com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“C O2驅(qū)油油藏工程及注采工藝關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012B A C24B03）

收稿日期：2015-07-16

文章編號(hào)：1001-3482（2016）01-0056-04

中圖分類(lèi)號(hào)：T E931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.013