油田井下封隔器密封性能影响因素研究

张 峰

(1中石化胜利油田石油工程技术研究院 2中国石油大学·华东)

封隔器是油田实现井下分层注采的重要工具，大多是针对液体介质的密封而研制。常用的压缩式液压封隔器由于本身结构的局限，使其在承受上下交变压差作用时对液体的密封能力明显不足，更无法满足对高压气体进行可靠密封的要求。

随着国内外CO2驱油技术的广泛应用，高压气密封管柱技术日益引发关注。国内关于具备长期耐高压气密封能力的封隔器的研究应用较少。塔里木、川东北等油气田，应用了高压气密封封隔器用于气井采气，但其封隔器等主要工具依赖国外引进，且部分井依然存在密封效果不好的问题。为解决这一难题，需要从剖析封隔器的密封原理入手，找出影响其密封性能的关键因素及其作用规律，从而创新封隔器的结构设计理念，指导新型封隔器的研制。

一、封隔器胶筒密封性能影响因素研究

实验研究表明，封隔器胶筒受力、胶筒材料及形状、封隔器结构等在不同程度上，对封隔器的密封性能产生影响，特别是封隔器坐封时胶筒坐封力的加载方式是决定封隔器整体气密封能力的关键因素。

1.坐封力加载方式对密封性能的影响

坐封力加载方式决定了胶筒与套管径向接触应力的分布[1]，而接触应力与胶筒的密封性能密切相关，在一定范围内，胶筒的密封能力与接触应力近似成正比[2]，胶筒与套管的接触应力越大、越均匀，封隔器密封油套环空压差的作用就越强。

杨秀娟[3]等研究了三个实验胶筒从一端加载力情况下轴向上胶筒接触应力的分布，如图1。其研究成果以静态形式反映了封隔器坐封后胶筒与套管的径向接触应力在轴向上分布极不均匀，但其未考虑封隔器结构及动作过程可能对密封性能造成的影响。为了深入剖析液压封隔器密封高压气体能力不足的原因，结合封隔器结构特点开展了坐封力动态加载过程对封隔器密封性能影响的实验研究。

研究设计了专用实验装置，图2所示为装置原理图。实验装置可以模拟液压封隔器坐封力的加载过程和锁紧机构(锁环)的锁紧、回退过程，并全过程记录胶筒的受力、坐封距变化情况，通过观察坐封距变化，进而分析胶筒与套管接触应力的变化规律。

图1 胶筒受力与坐封距关系实验装置原理图

实验套管内径为121.3 mm，实验用胶筒为三胶筒结构，长度/邵氏硬度分别为80 mm/85、70 mm/75、80 mm/85。在胶筒的右端设置了坐封液缸用于坐封胶筒；在胶筒两端各设置了胶筒受力测试液缸，用以记录胶筒在整个坐封过程中受力的变化情况。

实验记录了15组测试数据，分别包括坐封液压力、坐封距、压缩端加载力(即坐封力)和非压缩端受力，依据实验数据绘制了胶筒两端受力与坐封距关系曲线图见图2。

图2 封隔器胶筒受力与坐封距关系曲线图

实验结果清楚地反映了坐封过程中胶筒受力与坐封距的动态变化规律。从图2可以看出，压缩端坐封力曲线斜率初始较小，在坐封距达30 mm以后，曲线斜率开始变陡。第5点的压缩端加载力为28.5 kN，对应的坐封距为31.3 mm，到第14点坐封过程完成时，压缩端加载力为76.1 kN，坐封距为43.4 mm，从第5点到第14点，坐封力增大了47.6 kN(167.02%)，坐封距仅增加12.1 mm(38.7%)。胶筒非压缩端的受力增长平缓，到第14点，非压缩端受力只有坐封力的24.1%。从第5点之后的坐封过程后半段，变化较小的坐封距、急剧增长的坐封力和缓慢增长的左端受力，反映出右胶筒接触应力的快速增长，造成了胶筒局部与套管壁摩擦力的快速增加，阻碍了坐封力自胶筒右端向左端的传递。

在图1的实验装置中设置了螺距为2 mm的锁环，该锁环不带斜角。从实验结果可以看出，到第15点坐封结束，坐封液压力泄压为0时，锁环回退1.7 mm，压缩端受力下降了59.5%。

实验验证了液压力短时间加载情况下，各胶筒与套管径向接触应力分布的不均匀性，锁环回退更是影响接触应力的重要因素。要提高并保持较高的接触应力，不仅要消除锁环回退所带来的影响，还应考虑将坐封力加载方式由短时间作用改变为持续施力，即在坐封液压力泄压之前，通过其它方式对胶筒再进行加载，持续保持该加载力，然后再进行坐封液压力泄压过程。这样，胶筒可以保持持续受力状态，有效避免最大接触应力的降低。

为了验证上述分析的成果，开展了进一步实验，在坐封液压力泄去之前，纵向上给胶筒持续加载100～120 kN的坐封力，结果显示，胶筒的坐封距在液压力坐封基础上又增加了8～10 mm。实验表明，在此加载力持续作用下，胶筒接触应力不仅得以保持，而且又有了进一步提高。

2.胶筒结构对密封性能的影响

在室内和现场实验中多次出现了一个现象，密封较好的封隔器在高压差时会在短时间内突然失效。图3所示是室内实验失效的胶筒照片，实验是在120℃条件下进行的，密封气压由25 MPa升至30 MPa，9 h后胶筒突然失效。失效胶筒表面相对完整，肩部却严重碎裂，碎裂区域向胶筒内部延伸。研究认为，胶筒失效原因可归结于橡胶材料产生的一种特殊的“气爆”现象。

图3 高压差下失效的封隔器胶筒照片(120℃，30 MPa)

橡胶行业通常所述的气爆现象是指：将橡胶置于高压气体中，然后急剧减压，橡胶表面会出现鼓包破坏。封隔器胶筒在高压差下失效破坏的形式与橡胶气爆的破坏形式相类似。分析胶筒产生“气爆”的原因，与胶筒材料本身的气密性有关。橡胶材料的分子之间存在较大间隙，而CO2气体分子较小，在压力作用下，CO2分子能渗入橡胶件内部，穿过橡胶件到压力较低的一端渗出。

图4为高压气体造成胶筒“气爆”损坏原理分析示意图，在压力p的驱动下，CO2分子渗入胶筒橡胶分子间隙并自右向左运动，最终到达胶筒左端附近。胶筒材料本身的非均质性，易造成多个气体分子聚集，进而在胶筒内部形成小的气泡。由于胶筒周围有钢体支撑，绝大部分气泡带有高压却不能膨胀。胶筒左肩部，处于套管和端环间隙部位，无钢体支撑，当附近有气泡形成时，胶筒材料的弹性力不足以支持小气泡的压力，气泡和橡胶就会一起膨胀。而CO2分子在橡胶件内的运动是缓慢的，当它们还来不及从胶筒左肩部渗出，气泡的膨胀体积超过橡胶的弹性极限时，橡胶就会破裂。前一层的橡胶破裂了，向内一层的橡胶就变成了第一层，破裂随即发生，这种损坏会自左肩部开始并向右传递，使胶筒内部在短时间内发生碎裂而失效。

图4 高压气体造成胶筒“气爆”损坏原理分析示意图

失效的胶筒外表面相对完整，是由于径向上有套管内壁的支撑作用保护了胶筒，使其外表面橡胶不会径向膨胀，因而避免了外表面“气爆”，同样，如果在胶筒的端部设置钢性支撑，也应该能解决高压差下胶筒内部 “气爆”的问题。

二、研究成果及应用

在上述成果指导下，创新引入双向加载持续压缩的设计理念，指导研制了采用双向液压、管柱加载三重作用坐封的高压气密封封隔器[4-8]，图5所示为气密封隔器的结构原理示意图。优化设计的防“气爆”胶筒端部带有割缝双层钢碗，其割缝交错设置，钢碗安装在胶筒两端并与胶筒硫化成一体，解决了胶筒在高压差下产生“气爆”的问题。

该封隔器实现了35 MPa双向交变压差作用下长期气密封，现场应用20口井，在提升油田井下封隔器高压气密封能力方面取得重大突破。

图5 高压气密封隔器结构示意图(半剖，仅绘出下半侧)

三、认识及结论

(1)指出传统封隔器在耐高压气密封方面存在的不适应性，开展了封隔器坐封力动态加载过程对密封性能影响的实验研究，揭示了胶筒坐封力加载方式对密封性能的影响规律，为新型封隔器的研制提供了理论依据。

(2)发现封隔器胶筒在高压差注气条件下的“气爆”现象，阐明了“气爆”产生的机理，优化设计的胶筒结构，较好地解决了胶筒 “气爆”的问题。

(3)创新研制新型注气封隔器，实现了35 MPa双向交变压差作用下长期气密封,能够满足CO2驱油田现场安全注气生产需求。