浅析国内外封隔器的发展状况

张宇航， 徐小兵， 杨亚

（长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023）

0 引言

随着油田逐渐进入开发后期，许多不利开发条件逐一显现：其一，油层间矛盾越来越突出;其二，受注入水质、洗井、作业等各方面因素的影响，油层污染程度加剧；其三，井下套管缩径、错断、破裂等日益恶化。

对于稀油老油田，为了实现稳油控水，经常要采取压裂、酸化等多种措施，直接造成套管腐蚀、变形、穿孔、挫断等。这无疑增加了油气钻采的难度。从而对封隔器的使用提出了更高的要求，而且急缺与深井、超深井以及分支井等作业相匹配组合的各型封隔器，因此系统地归纳国内外的封隔器产品及技术是很有必要的，特别是在新材料研发、新的座封方式和作业工艺方面需要加大力度，为油田开发提供强有力的技术支撑。

1 国外封隔器研究动态

随着近些年油气田的开发生产不断向深井超深井发展，钻采工艺也不断向较深地层方向发展，对封隔器的耐温耐压等各方面使用性能提出了新的挑战，以致封隔器今后的研制工作向更加专业化、多样化发展。在最近几年里，国外先后研制出了多种新型封隔器以适应不同的工艺要求。

国外的科学研究者为了克服永久式封隔器和可取式封隔器的不足，通过利用先进的化学和机械切割技术，成功研发了可拆卸式封隔器。为了满足在比较恶劣的工况下具有耐高压、耐高温、抗腐蚀性能以及较高的工艺操作可靠性，美国成功研发了的2.12in高效可锚定单级膨胀式封隔器。爪哇西海油田（OWJ）通过改变传统修井机二次完井的方式，成功开发出了水泥封隔器，只使用泵辅助设备和测井电缆，从而有效节约了成本，使平均费用降低了35%～75%。

由于国外油气田开发条件与国内不同，水质较好，这样没有必要进行不动管柱洗井，因而封隔器整体结构较简单，没有洗井通道。一般设计为卡瓦式封隔器，主要有以下几种：1）C-1型串联张力封隔器。通常作为上封隔器使用，通过十单管注水，但往往需要与其它封隔器串联使用；2）AD-1型张力封隔器。具有较大的内通径，操作比较简单可靠，是比较理想的张力单管注水封隔器；3）B型快速坐封双管张力封隔器。该封隔器能有效控制大量的注入液，是比较实用的双管多层分注封隔器，属于双管可回收张力封隔器；4）J-J型锁紧张力封隔器。该封隔器利用不锈钢材质，于玻璃纤维管中座封，通常用于注入腐蚀性液体的井中；5）T型双管水力封隔器。它是比较理想的双管水力坐封封隔器，施工比较简单可靠，通常用于大斜度井的双管分层注水；6）RTTS（Halliburton RTTS80）封隔器。通过采用丙烯聚四氟乙烯材料作为密封件胶筒，使得其可耐高温150℃左右，且配有锚定和扶正机构，密封效果很好。另外在国外为了改善管柱的受力条件，通常在管柱上安装可伸缩短节，这样还可以有效补偿在注水过程中，由于温度和压力效应引起的管柱伸缩。国外改进后的可取式注水封隔器有效提高了其工作寿命，耐高温达160℃，耐高压50 MPa，各方面工作性能得到进一步提高，有利于在深井和高压注水井中使用，以满足在不同油藏中分层注水和开发的需求。

2 国内封隔器研究动态

在国内，封隔器按使用情况大致可分为可取式和永久式两种封隔器。随着我国油气田开发不断向深井超深井方向发展，油井产层分布越来越复杂，这样使得石油开采条件日渐复杂，以致钻采工艺和生产工艺较常规油气田开发不断向耐高温耐高压方向发展，对封隔器提出了更高的要求，这也给国内科研工作者对今后封隔器的研发提出了新的方向，即在结构方面设计更加简单，密封材料具有很好的弹性，具有大通径；在性能方面更加优良，针对各种复杂工况，用途更加广泛，工作寿命得到进一步提高。目前国内科研工作者针对封隔器的研究工作主要集中在封隔器产品开发及配套工具改善、封隔器室内性能试验、封隔器数值模拟和参数计算包括封隔器系统受力分析、密封胶筒元件在井下工作时的性能分析等几个方面。

在封隔器产品开发及配套工具方面，层间压差波动常常引起封隔器可洗井通道自动打开，导致封隔器不密封，为此，晏耿成等［9］增加洗井承压装置，研制开发了大压差可洗井封隔器；咸国旗［10］等通过增加锚定机构和上压控制式洗井机构，研制了防蠕动多功能封隔器，解决了由于注水压力波动引起的封隔器蠕动；徐凤廷［11］研制的气密封封隔器解决了在氮气气顶驱试验过程中出现的油套压平衡问题，提高了现场操作的安全性；童征等［12］通过使用形状记忆聚合物来改变封隔器胶筒的密封性能，克服了传统机械式封隔器可靠性差、裸眼适应性差等缺点。吐哈油田通过在封隔器中设计平衡通道，配备投球丢手来完善分选层压裂管柱配套工具，解决了解封吨位高和风险大的问题。唐欣等［14］通过设计承载倒扣机构和免钻柔性密封盒，研发出新型免钻尾管悬挂器，提高和改善了固井质量。

在封隔器性能试验方面，由于封隔器性能直接影响着分层压裂酸化以及油气开采作业的效果，因此该测试至关重要。随着油田开发向较深油层发展，油层压力温度必然提高，这就要求封隔器具有耐高温高压性能，胜利油田研制的由试验井和井口连接、测控和加热系统、密封和加载系统以及液压等六大系统组成的高温高压试验装置，解决了封隔器模拟试验的难题，为油田深层开发应用提供了可靠实验基础。齐军等［16］针对封隔器耐高温高压的特性，通过设计由容器本体、底部支撑和导热油夹套等构成的超高压容器，配以管路系统，主要包括超高压加压系统、力加载和动态稳压系统、加热冷却系统以及电控和辅助气源等六大系统，实现模拟井下高温超高压实验环境，为封隔器的设计研发以及可靠性检验提供了强有力的支持。

在封隔器数值模拟和参数计算方面，为了提高扩张式封隔器的作用效果，程心平［17］利用有限元分析了胶筒长度、厚度以及肩部形状等对胶筒受力变形的影响，对封隔器的结构参数进行了优选，使封隔器性能得到进一步提高。王勇［18］等以活塞力和虚构力为切入点，推导出带有封隔器的受力及形变公式，通过对受力变形的综合分析，进一步提高了油气田完井和生产的安全性。张昕等［19］通过非线性有限元分析软件，对压缩式封隔器洗井活塞的工作过程进行了仿真模拟研究，分析了配合不同尺寸的O型密封圈，从而提高了封隔器的可靠性。

3 封隔器新产品开发及应用

针对近几年来国内外的生产需求，目前已经成功研发出了多种新型封隔器。主要有金属封隔器、跨隔封隔器、溶胀式封隔器、磁性黏弹体封隔器、高效膨胀式封隔器、可钻可取式注水封隔器、双压差逐级解封封隔器、可承受双向压差的封隔器等。现简要介绍以下几种封隔器原理及特点。

1）金属封隔器。使用NiTi超弹合金材料作为密封件，这样在工作时延展性大，受外力作用时会发生较大变形，而当外力消失时可以同时加温，合金材料基本恢复到原来形状。此外，该封隔器还具有内通径大、耐高压高温、耐腐蚀性能强等优点。

2）跨隔封隔器。该型封隔器心轴下部设一台阶，为克服遇阻坐封或开井其下接头上设有数个弹性爪，这样有利于台阶支撑在弹性爪上，使得性能更加稳定可靠，有效解决了剪销封隔器测试成功率低等问题，是目前较为理想的地层测试工艺装置。

3）溶胀式封隔器。根据工作液的不同，可分盐水类和原油类溶胀封隔器。该型封隔器通过充分利用橡胶在膨胀剂中发生自然膨胀的特性而研发的，当其与芳香烃类或盐类液体接触时，通过橡胶的吸收过程发生膨胀，从而达到封隔的效果，有效解决了传统机械式封隔器存在的不足。

4）磁性黏弹体封隔器。主要密封件磁性黏弹物质而非橡胶，被永磁体吸附在油套环形空间，能可靠地封隔油套环形空间，特别适用于套管腐蚀变形井。

5）可黏可取式注水封隔器。属于卡瓦式注水封隔器，既可以快速钻磨取出，又可以采用投球憋压或上提方式解封取出，通过配置防解封平衡保护机构和钻磨防转机构，利用中心管控制脱接技术，有效解决了锚定机构中脆性卡瓦易断难回收问题，主要适用于高压、腐蚀严重的深井。

4 结语

针对目前国内外封隔器的研究现状，对封隔器单一部件比较多，应该多向系统部件的配合使用效果方向转变;而且应该加大原理性的研究，避免小修小改过于频繁;面对油气井向更深方向发展，应加强深井超深井封隔器的研究，同时进一步做好封隔器产品和配套工具的标准化工作，有必要实现各石油单位的技术交流，启动数据库资源共享平台，从而有助于封隔器今后的开发研究。

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