油田井下封隔器密封性能影響因素研究

張 峰

(1中石化勝利油田石油工程技術研究院 2中國石油大學·華東)

封隔器是油田實現井下分層注采的重要工具，大多是針對液體介質的密封而研制。常用的壓縮式液壓封隔器由于本身結構的局限，使其在承受上下交變壓差作用時對液體的密封能力明顯不足，更無法滿足對高壓氣體進行可靠密封的要求。

隨著國內外CO2驅油技術的廣泛應用，高壓氣密封管柱技術日益引發關注。國內關于具備長期耐高壓氣密封能力的封隔器的研究應用較少。塔里木、川東北等油氣田，應用了高壓氣密封封隔器用于氣井采氣，但其封隔器等主要工具依賴國外引進，且部分井依然存在密封效果不好的問題。為解決這一難題，需要從剖析封隔器的密封原理入手，找出影響其密封性能的關鍵因素及其作用規律，從而創新封隔器的結構設計理念，指導新型封隔器的研制。

一、封隔器膠筒密封性能影響因素研究

實驗研究表明，封隔器膠筒受力、膠筒材料及形狀、封隔器結構等在不同程度上，對封隔器的密封性能產生影響，特別是封隔器坐封時膠筒坐封力的加載方式是決定封隔器整體氣密封能力的關鍵因素。

1.坐封力加載方式對密封性能的影響

坐封力加載方式決定了膠筒與套管徑向接觸應力的分布[1]，而接觸應力與膠筒的密封性能密切相關，在一定范圍內，膠筒的密封能力與接觸應力近似成正比[2]，膠筒與套管的接觸應力越大、越均勻，封隔器密封油套環空壓差的作用就越強。

楊秀娟[3]等研究了三個實驗膠筒從一端加載力情況下軸向上膠筒接觸應力的分布，如圖1。其研究成果以靜態形式反映了封隔器坐封后膠筒與套管的徑向接觸應力在軸向上分布極不均勻，但其未考慮封隔器結構及動作過程可能對密封性能造成的影響。為了深入剖析液壓封隔器密封高壓氣體能力不足的原因，結合封隔器結構特點開展了坐封力動態加載過程對封隔器密封性能影響的實驗研究。

研究設計了專用實驗裝置，圖2所示為裝置原理圖。實驗裝置可以模擬液壓封隔器坐封力的加載過程和鎖緊機構(鎖環)的鎖緊、回退過程，并全過程記錄膠筒的受力、坐封距變化情況，通過觀察坐封距變化，進而分析膠筒與套管接觸應力的變化規律。

圖1 膠筒受力與坐封距關系實驗裝置原理圖

實驗套管內徑為121.3 mm，實驗用膠筒為三膠筒結構，長度/邵氏硬度分別為80 mm/85、70 mm/75、80 mm/85。在膠筒的右端設置了坐封液缸用于坐封膠筒；在膠筒兩端各設置了膠筒受力測試液缸，用以記錄膠筒在整個坐封過程中受力的變化情況。

實驗記錄了15組測試數據，分別包括坐封液壓力、坐封距、壓縮端加載力(即坐封力)和非壓縮端受力，依據實驗數據繪制了膠筒兩端受力與坐封距關系曲線圖見圖2。

圖2 封隔器膠筒受力與坐封距關系曲線圖

實驗結果清楚地反映了坐封過程中膠筒受力與坐封距的動態變化規律。從圖2可以看出，壓縮端坐封力曲線斜率初始較小，在坐封距達30 mm以后，曲線斜率開始變陡。第5點的壓縮端加載力為28.5 kN，對應的坐封距為31.3 mm，到第14點坐封過程完成時，壓縮端加載力為76.1 kN，坐封距為43.4 mm，從第5點到第14點，坐封力增大了47.6 kN(167.02%)，坐封距僅增加12.1 mm(38.7%)。膠筒非壓縮端的受力增長平緩，到第14點，非壓縮端受力只有坐封力的24.1%。從第5點之后的坐封過程后半段，變化較小的坐封距、急劇增長的坐封力和緩慢增長的左端受力，反映出右膠筒接觸應力的快速增長，造成了膠筒局部與套管壁摩擦力的快速增加，阻礙了坐封力自膠筒右端向左端的傳遞。

在圖1的實驗裝置中設置了螺距為2 mm的鎖環，該鎖環不帶斜角。從實驗結果可以看出，到第15點坐封結束，坐封液壓力泄壓為0時，鎖環回退1.7 mm，壓縮端受力下降了59.5%。

實驗驗證了液壓力短時間加載情況下，各膠筒與套管徑向接觸應力分布的不均勻性，鎖環回退更是影響接觸應力的重要因素。要提高并保持較高的接觸應力，不僅要消除鎖環回退所帶來的影響，還應考慮將坐封力加載方式由短時間作用改變為持續施力，即在坐封液壓力泄壓之前，通過其它方式對膠筒再進行加載，持續保持該加載力，然后再進行坐封液壓力泄壓過程。這樣，膠筒可以保持持續受力狀態，有效避免最大接觸應力的降低。

為了驗證上述分析的成果，開展了進一步實驗，在坐封液壓力泄去之前，縱向上給膠筒持續加載100～120 kN的坐封力，結果顯示，膠筒的坐封距在液壓力坐封基礎上又增加了8～10 mm。實驗表明，在此加載力持續作用下，膠筒接觸應力不僅得以保持，而且又有了進一步提高。

2.膠筒結構對密封性能的影響

在室內和現場實驗中多次出現了一個現象，密封較好的封隔器在高壓差時會在短時間內突然失效。圖3所示是室內實驗失效的膠筒照片，實驗是在120℃條件下進行的，密封氣壓由25 MPa升至30 MPa，9 h后膠筒突然失效。失效膠筒表面相對完整，肩部卻嚴重碎裂，碎裂區域向膠筒內部延伸。研究認為，膠筒失效原因可歸結于橡膠材料產生的一種特殊的“氣爆”現象。

圖3 高壓差下失效的封隔器膠筒照片(120℃，30 MPa)

橡膠行業通常所述的氣爆現象是指：將橡膠置于高壓氣體中，然后急劇減壓，橡膠表面會出現鼓包破壞。封隔器膠筒在高壓差下失效破壞的形式與橡膠氣爆的破壞形式相類似。分析膠筒產生“氣爆”的原因，與膠筒材料本身的氣密性有關。橡膠材料的分子之間存在較大間隙，而CO2氣體分子較小，在壓力作用下，CO2分子能滲入橡膠件內部，穿過橡膠件到壓力較低的一端滲出。

圖4為高壓氣體造成膠筒“氣爆”損壞原理分析示意圖，在壓力p的驅動下，CO2分子滲入膠筒橡膠分子間隙并自右向左運動，最終到達膠筒左端附近。膠筒材料本身的非均質性，易造成多個氣體分子聚集，進而在膠筒內部形成小的氣泡。由于膠筒周圍有鋼體支撐，絕大部分氣泡帶有高壓卻不能膨脹。膠筒左肩部，處于套管和端環間隙部位，無鋼體支撐，當附近有氣泡形成時，膠筒材料的彈性力不足以支持小氣泡的壓力，氣泡和橡膠就會一起膨脹。而CO2分子在橡膠件內的運動是緩慢的，當它們還來不及從膠筒左肩部滲出，氣泡的膨脹體積超過橡膠的彈性極限時，橡膠就會破裂。前一層的橡膠破裂了，向內一層的橡膠就變成了第一層，破裂隨即發生，這種損壞會自左肩部開始并向右傳遞，使膠筒內部在短時間內發生碎裂而失效。

圖4 高壓氣體造成膠筒“氣爆”損壞原理分析示意圖

失效的膠筒外表面相對完整，是由于徑向上有套管內壁的支撐作用保護了膠筒，使其外表面橡膠不會徑向膨脹，因而避免了外表面“氣爆”，同樣，如果在膠筒的端部設置鋼性支撐，也應該能解決高壓差下膠筒內部 “氣爆”的問題。

二、研究成果及應用

在上述成果指導下，創新引入雙向加載持續壓縮的設計理念，指導研制了采用雙向液壓、管柱加載三重作用坐封的高壓氣密封封隔器[4-8]，圖5所示為氣密封隔器的結構原理示意圖。優化設計的防“氣爆”膠筒端部帶有割縫雙層鋼碗，其割縫交錯設置，鋼碗安裝在膠筒兩端并與膠筒硫化成一體，解決了膠筒在高壓差下產生“氣爆”的問題。

該封隔器實現了35 MPa雙向交變壓差作用下長期氣密封，現場應用20口井，在提升油田井下封隔器高壓氣密封能力方面取得重大突破。

圖5 高壓氣密封隔器結構示意圖(半剖，僅繪出下半側)

三、認識及結論

(1)指出傳統封隔器在耐高壓氣密封方面存在的不適應性，開展了封隔器坐封力動態加載過程對密封性能影響的實驗研究，揭示了膠筒坐封力加載方式對密封性能的影響規律，為新型封隔器的研制提供了理論依據。

(2)發現封隔器膠筒在高壓差注氣條件下的“氣爆”現象，闡明了“氣爆”產生的機理，優化設計的膠筒結構，較好地解決了膠筒 “氣爆”的問題。

(3)創新研制新型注氣封隔器，實現了35 MPa雙向交變壓差作用下長期氣密封,能夠滿足CO2驅油田現場安全注氣生產需求。