海上熱采防砂封隔器研制與室內試驗

梁月松，盧道勝，周 歡，張啟龍2，徐鳳祥，楊立軍

(1.中海油田服務股份有限公司，天津 300459；2. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

隨著渤海灣旅大21-2、旅大5-2北油田相繼開發，稠油油藏的有效動用和低成本開采成為海上油藏開發的熱點和難點[1]。采用蒸汽吞吐方式開發海上稠油的過程中，井底注汽溫度高達350 ℃，井筒封隔器在承受一輪次蒸汽吞吐作業后，容易出現密封失效，導致環空帶壓，注熱效率下降，被迫采取的換管柱作業將大幅度增加完井成本，嚴重影響稠油開發效益。熱采防砂封隔器作為稠油油藏和井筒環空封隔的主要工具，其密封性能的好壞直接影響蒸汽吞吐開發的效果。因此，滿足多個輪次蒸汽吞吐開發要求的熱采封隔器技術成為稠油熱采完井工具的主要攻關方向。

現有的熱采封隔器按照膠筒的密封機理分為擴張式封隔器和壓縮式封隔器[2-6]。擴張式封隔器密封材料一般采用熱脹式塑料或者熱敏金屬材料，密封材料受熱向外擴張貼合套管實現密封，溫度降低后，密封材料收縮實現封隔器解封。壓縮式封隔器通常采用改性聚四氟乙烯作為主密封材料，封隔器在多輪次蒸汽吞吐過程中存在密封不嚴問題。同時改性聚四氟乙烯材料在350 ℃情況下會出現軟化的現象，如果不進行合理的結構設計，容易出現擠出而導致密封失效的問題[7]。國外貝克休斯公司研制了以彈性碳復合材料(ECC)為密封材質的膠筒，密封能力能夠達到315 ℃、22 MPa，不能夠滿足350 ℃注蒸汽的要求[8]。

筆者針對海上稠油開發多輪次密封要求，創造性地研制氟硅基材料+高強度玻璃纖維為密封材質的膠筒，研發了一套適用于?244.5 mm熱采套管井的長效密封防砂封隔器。通過模擬分析和室內試驗對膠筒材質和結構進行了評價優化，并開展了封隔器全尺寸密封測試。室內全尺寸整機試驗表明：所研發的HPHT-215型長效密封防砂封隔器能夠滿足耐溫350 ℃、耐壓21 MPa密封性能要求，并開展了高低溫多輪次密封性能評價測試，具有較高的技術優越性、性能可靠性和經濟效益性，具備較好的推廣應用價值。

1 技術分析

1.1 結構原理

HPHT-215型防砂封隔器主要由坐封機構、上接頭、芯軸、密封機構、鎖緊機構、錨定機構、解封機構和下接頭組成，具體結構如圖1所示。

封隔器坐封需要配套專用坐封工具，采用液壓坐封的方式。密封機構包括膠筒組合密封和解封機構的軸孔密封。錨定機構主要由卡瓦、卡瓦架、片彈簧、上錐體和下錐體組成。卡瓦采用片狀卡瓦結構、雙向卡瓦設計，保證封隔器的承壓和懸掛能力。解封機構主要由外筒、解封套、解封環和預應力金屬C型圈組成。

1—導向接頭；2—坐封套；3—上接頭；4—芯軸；5—膠筒上壓座；6—鎖環；7—膠筒組合；8—膠筒下壓座；9—上錐體；10—卡瓦組合；11—防轉螺釘；12—下錐體；13—連接套；14—解封環；15—外筒；16—解封銷釘；17—解封套；18—預應力金屬C型圈；19—下接頭。圖1 HPHT-215型防砂封隔器結構

1.2 密封膠筒組合結構

目前市面上耐溫性能最好的全氟醚材料(FFKM)膠筒也無法滿足350 ℃長效密封的要求，密封膠筒組合的設計是保證封隔器350 ℃耐溫能力的核心技術。為了實現350 ℃ 長效密封要求，經過大量室內試驗論證，優選的膠筒組合主密封采用雙膠筒結構，密封材料采用特制的氟硅基復合材料，輔助密封采用改性聚四氟乙烯。通過在膠筒組合外部設計防擠出的聚醚醚酮護環和不銹鋼護肩，可以有效防止膠筒密封材料在350 ℃高溫下的軟化擠出，能夠實現在溫度350 ℃ 環境下耐壓21 MPa的要求[8]。膠筒組合結構如圖2所示。

1—隔環；2—主密封氟硅基橡膠；3—改性聚四氟乙烯護環；4—不銹鋼護肩；5—聚醚醚酮擋環。圖2 膠筒組合結構

2 膠筒材質的研究與評價

2.1 材料研制

封隔器膠筒主體密封采用氟硅基復合材料，該材料以氟基、硅基為主體，將氟基材料優良的熱穩定性、耐燃料油和耐溶劑性與硅基材料耐高溫、壓縮回彈性有機結合，同時添加金屬和纖維增強劑，填充氟硅基分子間隙，有效提高材料的機械強度。

氟硅基復合材料膠筒制造過程如圖3所示。為進一步增強材料的抗擠出性能，創新性地引入高強度玻璃纖維，通過將玻璃纖維編織成空間網狀結構，并將氟硅基材料裹敷其中，可以有效防止材料在高溫下的軟化擠出，大幅度提高了材料的力學性能和穩定性。

圖3 氟硅基膠筒研制示意圖

2.2 性能評價

2.2.1 氟硅基材料性能評價

為評價特制的氟硅基材料的性能指標，按照測試標準制作了直條試樣[9]，試樣尺寸：長度25 mm×寬度2.42 mm×厚度6 mm，并進行了拉伸強度測試，測試結果如圖4所示。試驗共進行了3次，從結果可以看出，氟硅基材料在室溫(25 ℃)下的拉伸強度在9.53～10.05 MPa，遠高于FFKM的抗拉強度(5.5227 MPa)[8]，拉斷伸長率在630%～660%。

圖4 氟硅橡膠材料拉伸強度測試曲線(室溫25℃)

為評價350 ℃高溫環境對材料性能的影響，開展了氟硅基材料的高溫老化性能測試，將標準直條試樣置于350 ℃環境下35 d，并定期(7 d)取出部分樣件進行硬度和拉伸測試，測試結果如圖5所示。

從氟硅橡膠老化性能測試結果可以看出，材料抗拉強度隨著時間的延長逐漸下降并趨于穩定，35 d后抗拉強度能夠保持4.66 MPa，表現出比較優異的耐高溫性能。同時，材料在高溫環境下隨著時間的延長，表面硬度逐漸增加，拉斷伸長率逐漸降低，材料表現出一定老化的跡象，35 d后材料的拉斷伸長率由643.3%降低至343.6%并趨于穩定，材料在350 ℃高溫加熱后依舊保持著較強的彈性性能。

圖5 氟硅橡膠材料350℃高溫老化性能測試

2.2.2 氟硅基膠筒性能評價。

為綜合評價氟硅基材料與高強度玻璃纖維網編織成的膠筒性能，制作了膠筒單環試樣，試樣結構如圖6所示。在溫度350 ℃和370 ℃兩種環境下，對試樣開展了熱空氣老化測試[10]、拉伸強度測試[11]、壓縮回彈測試[12]和氦氣泄漏率測試[13]，并結合膠筒單環室溫測試情況，進行了性能對比。

圖6 膠筒單環試樣

1) 試驗方法。

①熱失重：試驗樣片自由狀態，分別置于350 ℃和370 ℃兩種熱空氣工況下48 h，觀察碳化、破損，測試質量損失率。

②壓縮回彈：試驗樣片壓縮狀態，分別置于350 ℃和370 ℃熱空氣工況48 h，進行壓縮回彈檢測，壓縮率30%時，測試回彈率。

③拉伸強度：試驗樣片分別置于350 ℃和370 ℃熱空氣工況下48 h，降至室溫(25 ℃)，測試拉伸強度。

④氦氣泄漏率檢測：試驗樣片壓縮狀態(壓縮率30%)，分別置于350 ℃和370 ℃熱空氣工況48 h，進行氦氣泄漏率檢測，測試泄漏率。

2) 試驗結果。

①熱失重：370 ℃環境下，單環質量損失平均值為27.29%，相較于350 ℃(質量損失率14.56%)提高了12.73%。

②壓縮回彈：350 ℃環境下，單環壓縮回彈率為70%，相較于室溫(25 ℃)有明顯下降，370 ℃環境下壓縮回彈僅為31.6%，材料在350 ℃以上高溫環境下溫度敏感性較高。

③拉伸強度：室溫(25 ℃)環境下，膠筒單環的拉伸強度為16.8 MPa，相較于純氟硅基材料的拉伸強度(9.53～10.05 MPa)有了大幅度提升；膠筒在350 ℃環境下的拉伸強度為11.5 MPa，玻璃纖維網結構使膠筒在350 ℃高溫環境下仍然表現出很高的拉伸性能。在370 ℃環境下，單環拉伸強度降為6.34 MPa，膠筒性能有了明顯的下降。

④氦氣泄漏率檢測：370 ℃環境下，單環氦氣泄漏率為2.3×10-6Pa·m3/s，與350 ℃(2.02×10-6Pa·m3/s)環境相當，相比室溫情況下略有下降。

350 ℃環境下試樣測試前后對比如圖7所示，在350 ℃和370 ℃環境下性能參數對比如圖8所示。

圖7 氟硅基材料單環試樣在350 ℃環境下測試前后對比圖

圖8 氟硅基材料單環試樣在350 ℃和370 ℃環境下性能參數對比

從膠筒單環的試驗結果可以看出，高強度玻璃纖維網結構大幅度提高了氟硅基材料在高溫環境下的性能，膠筒單環在350 ℃環境下各項性能指標較好，在370 ℃環境下性能指標與350 ℃相比性能均有較大幅度的降低，為保持材料性能，材料使用環境應控制在350 ℃以內。

3 膠筒組合有限元分析

3.1 有限元模型的建立

按照設計尺寸對膠筒組合建立有限元模型，分析軟件采用Abaqus6.13，模型包含的材料有不銹鋼(膠筒護肩)、氟硅基橡膠(主膠筒)、PTFE(膠筒護環)、PEEK(擋環)、玻璃纖維(主膠筒輔料)及42CrMo(芯軸、套管和隔環)，對膠筒組合進行網格劃分，如圖9所示。

圖9 膠筒組合有限元分析模型

主膠筒和玻璃纖維采用TIE連接，其余結構之間建立Frictional接觸。

計算過程分2個計算步，均在350 ℃載荷環境下進行，第1步沿不銹鋼護肩的上端面(沿-y向)施加350 kN壓縮載荷(最小坐封力)，壓縮直至結構變形到最終狀態；第2步，保持350 kN載荷，在膠筒組合與筒壁之間的空隙施加21 MPa氣壓，通過觀察橡膠與側壁的接觸關系是否保持來評估其密封性能。

3.2 模擬結果分析

圖10為膠筒組合在不同加載情況下壓縮變形的應力云圖，可以看出在加載力為87.5 kN時，氟硅基橡膠開始變形貼合套管，隨著加載力的不斷增加，膠筒各組件不斷變形貼合內外管壁，在加載力達到350 kN時，膠筒組合與內外管壁處于完全壓實狀態，此時膠筒護肩處于脹開狀態并貼合套管，對膠筒起到支撐作用，該加載力350 kN即作為后續膠筒測試的最小坐封力。

圖10 膠筒組合坐封過程應力云圖

圖11為膠筒組合在施加21 MPa壓力的情況下內外表面接觸力云圖，從內表面接觸力云圖可以看出，最大接觸力位置處于膠筒護肩和膠筒護環之間，該位置處的結構設計直接影響膠筒密封壓力。為防止膠筒材料在高溫高壓密封過程中出現內擠出問題，膠筒護肩采用倒鉤設計，同時添加了擋環結構(如圖2)。膠筒外表面的最大接觸力位于主膠筒位置。

圖11 膠筒組合內外表面接觸力云圖

圖12為膠筒組合在施加21 MPa壓力的情況下內外表面最大主應力云圖，從應力云圖可以看出，應力的薄弱點位于膠筒護肩位置。護肩作為膠筒組合的關鍵部件，需要保證在350 kN加載力的作用下能夠完全撐開支撐膠筒，同時還需要足夠的強度，滿足21 MPa壓力的密封要求。通過選擇特種不銹鋼作為護肩材料，并進行了合理設計，滿足了膠筒密封要求。

圖12 膠筒組合最大主應力云圖

4 室內試驗

根據相關標準和參考文獻[14-18]，首先對HPHT-215型防砂封隔器密封膠筒進行了室內評價優化試驗，然后進行全尺寸整機測試。試驗流程如圖13所示。

圖13 整體試驗流程

4.1 膠筒組合測試

膠筒組合測試主要用于膠筒組合的密封能力評價和優選。室內試驗中，驗封介質為高溫導熱油，采用油浴的加熱方式，膠筒密封測試分別在350 ℃和降溫至120 ℃情況下穩壓8 h，并持續循環8個輪次。試驗過程考慮了鎖齒回退對膠筒組合密封性能的影響。試驗內容具體包括：①記錄實際的坐封力和坐封距，鎖齒回退量；②檢查記錄膠筒組合350 ℃多輪次密封性能。

通過室內試驗，優選了3種組合結構的高溫膠筒，試驗結果如表1。

表1 3種組合結構高溫膠筒測試結果

對于結構定型的熱采膠筒組合，記錄了加載力和壓縮距的關系，如圖14。從曲線可以看出，隨著加載力的增加，壓縮距不斷增大并逐漸趨于平緩，在加載力為350 kN時，壓縮距為39 mm，此時膠筒組合已經處于壓實狀態。該測試結果與數值模擬計算結果一致。

圖14 定型熱采膠筒組合加載力和壓縮距測試結果

4.2 全尺寸整機測試

封隔器全尺寸整機測試的流程如圖15所示，封隔器下入試驗井筒后，中心管加壓坐封，氮氣泵通過上腔和下腔管線驗封，通過循環導熱油實現井筒加溫和降溫。封隔器整機測試分為功能測試和高低溫交變測試。

圖15 封隔器整機測試流程

4.2.1 功能測試

功能測試主要用于檢驗封隔器整體功能，包括坐封性能、常溫密封性能、錨定性能和解封性能。圖16為封隔器整機下入測試井筒。

圖16 封隔器整機下入測試井筒

4.2.2 高低溫交變測試

在封隔器常溫密封性能測試完成后，開始封隔器高低溫交變測試(測試流程如圖13所示)，用來檢驗封隔器在350 ℃高溫密封性能和高低溫交變密封性能。

4.2.3 測試結果

全尺寸整機測試表明：封隔器在常溫下坐封、密封、錨定和解封性能完好，坐封壓力24 MPa(折合坐封力350 kN)、密封壓力21 MPa，時間15 min，壓降小于1%，功能測試達到設計要求。

封隔器在350 ℃至120 ℃高低溫交變下測試了8個輪次，每次穩壓時間8 h，試驗結果如圖17～18所示。在350 ℃環境下，封隔器測試8個輪次后，密封性能保持穩定，21 MPa穩壓8 h，壓降小于10%。

降溫至120 ℃后，在1～2輪次下密封性能穩定，21 MPa穩壓8 h，壓降小于10%；3～4輪次密封測試后性能出現下降，8輪次測試后，密封能力維持在10 MPa，滿足海上高溫注熱，低溫開采的使用要求。

圖17 封隔器在1～4輪次高低溫交變下試驗曲線

圖18 封隔器在5～8輪次高低溫交變下試驗曲線

圖19為封隔器膠筒組合整機測試前后狀態圖，可以看出膠筒狀態完好，沒有出現軟化擠出問題，膠筒護肩張開狀態，達到設計要求，表明封隔器的各項性能達到現場應用條件。

圖19 整機測試前后膠筒組合狀態

5 結論

1) HPHT-215型熱采防砂封隔器膠筒組合密封結構設計新穎，封隔器在350 ℃至120 ℃高低溫交變下密封性能良好，具備熱采井長效密封能力。

2) 室內試驗檢測評價了氟硅基材料的耐溫性能，測試結果表明：特制的氟硅基材料具有較強的高溫穩定性，通過設計氟硅基材料+玻璃纖維網結構，有效提升了材料在高溫下的強度和抗擠出性能。

3) 通過數值模擬和室內試驗評價，優化了膠筒結構。膠筒測試結果表明：氟硅橡膠(雙膠筒結構)+金屬隔環+PTFE護環+PEEK擋環+不銹鋼護肩結構膠筒組合滿足耐溫350 ℃、耐壓21 MPa密封要求，測試后膠筒狀態完好。

4) 室內全尺寸整機測試，檢驗了封隔器的坐封、錨定、密封和解封性能，試驗結果表明：封隔器各項性能可靠，滿足海上350 ℃高溫注熱，低溫開采的耐溫耐壓要求，達到現場應用條件。