封隔器的密封性評判及相關結構設計探討

劉春雨

（大慶油田裝備制造集團特種汽車制造分公司，黑龍江 大慶 163411）

封隔器的主要功能是封隔上下竄氣、封隔注水層、封隔流水層、封隔壓裂層和熱采層的功能，能否完井和完井的質量直接受到封隔器密封性能的影響。封隔器的密封失效是在油氣井勘探開發中經常出現的一種現象，怎么避免封隔器密封失效和判定封隔器在井下的密封性好壞，是目前封隔器一直待解決的問題。現在為止，主要有自驗封封隔器技術、逐級驗封封隔器技術、壓力計驗封工具技術、動態管柱驗封技術以及性能檢測系統等檢驗封隔器驗封的技術，現在的這些技術都是在封隔器進入井下之后才能后續驗封，如果出現封隔器密封失效，很難采取有效的方法進行補救，存在著人為因素影響大、過程成本高、程序復雜、應用范圍有限的缺點。所以在封隔器的設計中，既要對封隔器的密封性能作為一個保證，一個衡量的指標，最好可以防止封隔器在使用過程中因出現密封失效而產生的問題。在封隔器的實際使用中，巖性對封隔器的密封有著很大的影響，而之前的封隔器設計和研究中都忽略了這點，本文主要在理論分析的基礎上，綜合判斷封隔器的密封性，提出封隔器更好的結構設計方法，為以后的應用奠定了基礎。

1 封隔器密封性的評判準則

想要封隔器有效的上下竄氣，必須在井下工作壓差下，封隔器與地層產生足夠大的接觸壓力，封隔性能想要效果好，就要做到在膠筒和地層強度允許的條件下的接觸壓力越大越好。建立一種井下壓力下封隔器密封性的判定標準，為封隔器與地層之間封隔性能、地層不產生壓裂破壞和剪應力破壞、膠筒不產生應力提供依據。

具體評判標準為：

（1）為了保證井壁不會產生破裂，封隔器與地層接觸壓力不能太大，還要保證井壁地層不發生應力破壞。

（2）如果膠筒與地層之間的接觸壓力大于任何一面的竄氣壓力，封隔器能有效切斷竄氣通道，有效封隔上下部壓力，保證氣體不通過膠筒與地層的接觸面。

（3）在井下壓差作用下，封隔器不產生應力破壞，安全封隔。

2 封隔器的密封性判斷

2.1 封隔器的封隔性

一般情況下，封隔器下面的氣竄壓力大，下面地層為高壓氣層的時候，才對封隔器的密封有著嚴格的要求。假設封隔器下方竄氣壓力為P1，封隔器能有效密封的話，封隔器的接觸壓力P要大于P1，想要安全封隔時接觸壓力P不能正好大于竄氣壓力P1，所以封隔器與地層的接觸壓力P應滿足：P=P1/S1，公式中S1為最小封隔安全系數（S1＞1）。如果封隔器與地層壓力比較復雜，S1的數值可選用1.15～1.25之間,反之S1的數值可選用1.1～1.15之間。

2.2 封隔器與地層的適應性

為了保證封隔器作用下地層的完整性，封隔器在工作的時候地層不發生壓裂破壞與應力破壞，封隔器在設計中一定要考慮封隔器與地層之間的適應性。

（1）地層壓裂破壞。為了不產生地層壓力破壞，封隔器與地層的接觸壓力要小于地層的抗壓強度。如果地層發生壓裂破壞，地層會變得松軟從而影響封隔器的密封效果。

（2）地層的剪應力破壞。為了保證封隔器與地層之間不發生剪應力破壞，必須保證封隔器與地層的接觸壓力小于地層發生破壞剪應力的最大安全系數。如果發生剪應力破壞，地層會失去支撐的作用，封隔器的密封也相對失效。

（3）為了保證封隔器的密封性，地層在實際過程中的完整性，滿足封隔器與地層之間的接觸壓力不大于發生壓裂破壞的最大安全接觸壓力和未發生剪應力破壞的最大安全接觸壓力。

2.3 膠筒自身的安全性

膠筒自身的安全性是不發生應力破壞，從而不發生密封失效。因此，封隔器密封過程中受到的最大應力要小于封隔器膠筒的變形強度。

2.4 封隔器的密封性判斷

任何一個封隔器為了保證井下的有效密封，都要同時滿足以下3點，其一對擬封隔地層的上下壓力封隔；其二滿足在封隔過程中不能受到破壞；其三滿足封隔膠筒的完好不被變形，否則封隔器的密封性就會失效。

3 封隔器的結構設計探討

根據封隔器在井下的密封性可以作為封隔器的結構設計依據，為此依據，我們提出幾點封隔器的設計方法：

（1）封隔器與地層的適應性探討。封隔器設計的基礎首先要保證地層的完整性，一般包括巖性對封隔器的接觸壓力之間的影響，封隔器接觸壓力與大地層最大應力的影響兩部分。

（2）封隔器在井下的封隔性能探討。封隔器接觸壓力與封隔器膠筒結構在不同巖性地層下的關系，計算不同巖性環境下，不同的膠筒結構壓力與膠筒應力，利用有限元分析建模的方法，建立封隔器接觸壓力與膠筒的關系模型。

（3）封隔器的結構設計。選取合理的安全系數，包括地層破裂的安全系數、地層剪應力破壞的安全系數、最小封隔安全系數。

（4）封隔器膠筒的應力校核。建立封隔器膠筒的最大應力與膠筒的關系模型，通過有限元分析建模，通過模型計算出最優的膠筒結構區域下的應力安全系數區域。它是封隔器最佳封隔性能下膠筒的最優結構設計。

（5）材料成本的結構優化。膠筒的材料越少，膠筒的的材料成本越低，可以作為膠筒優化設計的依據。

通過以上封隔器密封設計的優化，可適用于包括壓縮式封隔器、液壓膨脹管外封隔器、遇油膨脹封隔器等不同類型封隔器的設計。利用有限元數值模擬的方法，實現對封隔器膠筒的結構設計，為封隔器的密封性判斷和結構的優化設計提供了理論依據。

4 結語

在封隔器有效封隔的各種環境下，對封隔器的密封性提出了評判準則，并據此準則建立封隔器封隔性、地層完整性、封隔器膠筒的安全性等綜合因素的封隔器密封性判斷。根據封隔器密封性的判斷，利用有限元分析建模數據的方法，實現封隔器膠筒的結構設計，適用于不同封隔器的設計，為現場封隔器的密封性判斷和封隔器的結構設計提供了更好的理論依據。

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