淺析國內外封隔器的發展狀況

張宇航， 徐小兵， 楊亞

（長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023）

0 引言

隨著油田逐漸進入開發后期，許多不利開發條件逐一顯現：其一，油層間矛盾越來越突出;其二，受注入水質、洗井、作業等各方面因素的影響，油層污染程度加劇；其三，井下套管縮徑、錯斷、破裂等日益惡化。

對于稀油老油田，為了實現穩油控水，經常要采取壓裂、酸化等多種措施，直接造成套管腐蝕、變形、穿孔、挫斷等。這無疑增加了油氣鉆采的難度。從而對封隔器的使用提出了更高的要求，而且急缺與深井、超深井以及分支井等作業相匹配組合的各型封隔器，因此系統地歸納國內外的封隔器產品及技術是很有必要的，特別是在新材料研發、新的座封方式和作業工藝方面需要加大力度，為油田開發提供強有力的技術支撐。

1 國外封隔器研究動態

隨著近些年油氣田的開發生產不斷向深井超深井發展，鉆采工藝也不斷向較深地層方向發展，對封隔器的耐溫耐壓等各方面使用性能提出了新的挑戰，以致封隔器今后的研制工作向更加專業化、多樣化發展。在最近幾年里，國外先后研制出了多種新型封隔器以適應不同的工藝要求。

國外的科學研究者為了克服永久式封隔器和可取式封隔器的不足，通過利用先進的化學和機械切割技術，成功研發了可拆卸式封隔器。為了滿足在比較惡劣的工況下具有耐高壓、耐高溫、抗腐蝕性能以及較高的工藝操作可靠性，美國成功研發了的2.12in高效可錨定單級膨脹式封隔器。爪哇西海油田（OWJ）通過改變傳統修井機二次完井的方式，成功開發出了水泥封隔器，只使用泵輔助設備和測井電纜，從而有效節約了成本，使平均費用降低了35%～75%。

由于國外油氣田開發條件與國內不同，水質較好，這樣沒有必要進行不動管柱洗井，因而封隔器整體結構較簡單，沒有洗井通道。一般設計為卡瓦式封隔器，主要有以下幾種：1）C-1型串聯張力封隔器。通常作為上封隔器使用，通過十單管注水，但往往需要與其它封隔器串聯使用；2）AD-1型張力封隔器。具有較大的內通徑，操作比較簡單可靠，是比較理想的張力單管注水封隔器；3）B型快速坐封雙管張力封隔器。該封隔器能有效控制大量的注入液，是比較實用的雙管多層分注封隔器，屬于雙管可回收張力封隔器；4）J-J型鎖緊張力封隔器。該封隔器利用不銹鋼材質，于玻璃纖維管中座封，通常用于注入腐蝕性液體的井中；5）T型雙管水力封隔器。它是比較理想的雙管水力坐封封隔器，施工比較簡單可靠，通常用于大斜度井的雙管分層注水；6）RTTS（Halliburton RTTS80）封隔器。通過采用丙烯聚四氟乙烯材料作為密封件膠筒，使得其可耐高溫150℃左右，且配有錨定和扶正機構，密封效果很好。另外在國外為了改善管柱的受力條件，通常在管柱上安裝可伸縮短節，這樣還可以有效補償在注水過程中，由于溫度和壓力效應引起的管柱伸縮。國外改進后的可取式注水封隔器有效提高了其工作壽命，耐高溫達160℃，耐高壓50 MPa，各方面工作性能得到進一步提高，有利于在深井和高壓注水井中使用，以滿足在不同油藏中分層注水和開發的需求。

2 國內封隔器研究動態

在國內，封隔器按使用情況大致可分為可取式和永久式兩種封隔器。隨著我國油氣田開發不斷向深井超深井方向發展，油井產層分布越來越復雜，這樣使得石油開采條件日漸復雜，以致鉆采工藝和生產工藝較常規油氣田開發不斷向耐高溫耐高壓方向發展，對封隔器提出了更高的要求，這也給國內科研工作者對今后封隔器的研發提出了新的方向，即在結構方面設計更加簡單，密封材料具有很好的彈性，具有大通徑；在性能方面更加優良，針對各種復雜工況，用途更加廣泛，工作壽命得到進一步提高。目前國內科研工作者針對封隔器的研究工作主要集中在封隔器產品開發及配套工具改善、封隔器室內性能試驗、封隔器數值模擬和參數計算包括封隔器系統受力分析、密封膠筒元件在井下工作時的性能分析等幾個方面。

在封隔器產品開發及配套工具方面，層間壓差波動常常引起封隔器可洗井通道自動打開，導致封隔器不密封，為此，晏耿成等［9］增加洗井承壓裝置，研制開發了大壓差可洗井封隔器；咸國旗［10］等通過增加錨定機構和上壓控制式洗井機構，研制了防蠕動多功能封隔器，解決了由于注水壓力波動引起的封隔器蠕動；徐鳳廷［11］研制的氣密封封隔器解決了在氮氣氣頂驅試驗過程中出現的油套壓平衡問題，提高了現場操作的安全性；童征等［12］通過使用形狀記憶聚合物來改變封隔器膠筒的密封性能，克服了傳統機械式封隔器可靠性差、裸眼適應性差等缺點。吐哈油田通過在封隔器中設計平衡通道，配備投球丟手來完善分選層壓裂管柱配套工具，解決了解封噸位高和風險大的問題。唐欣等［14］通過設計承載倒扣機構和免鉆柔性密封盒，研發出新型免鉆尾管懸掛器，提高和改善了固井質量。

在封隔器性能試驗方面，由于封隔器性能直接影響著分層壓裂酸化以及油氣開采作業的效果，因此該測試至關重要。隨著油田開發向較深油層發展，油層壓力溫度必然提高，這就要求封隔器具有耐高溫高壓性能，勝利油田研制的由試驗井和井口連接、測控和加熱系統、密封和加載系統以及液壓等六大系統組成的高溫高壓試驗裝置，解決了封隔器模擬試驗的難題，為油田深層開發應用提供了可靠實驗基礎。齊軍等［16］針對封隔器耐高溫高壓的特性，通過設計由容器本體、底部支撐和導熱油夾套等構成的超高壓容器，配以管路系統，主要包括超高壓加壓系統、力加載和動態穩壓系統、加熱冷卻系統以及電控和輔助氣源等六大系統，實現模擬井下高溫超高壓實驗環境，為封隔器的設計研發以及可靠性檢驗提供了強有力的支持。

在封隔器數值模擬和參數計算方面，為了提高擴張式封隔器的作用效果，程心平［17］利用有限元分析了膠筒長度、厚度以及肩部形狀等對膠筒受力變形的影響，對封隔器的結構參數進行了優選，使封隔器性能得到進一步提高。王勇［18］等以活塞力和虛構力為切入點，推導出帶有封隔器的受力及形變公式，通過對受力變形的綜合分析，進一步提高了油氣田完井和生產的安全性。張昕等［19］通過非線性有限元分析軟件，對壓縮式封隔器洗井活塞的工作過程進行了仿真模擬研究，分析了配合不同尺寸的O型密封圈，從而提高了封隔器的可靠性。

3 封隔器新產品開發及應用

針對近幾年來國內外的生產需求，目前已經成功研發出了多種新型封隔器。主要有金屬封隔器、跨隔封隔器、溶脹式封隔器、磁性黏彈體封隔器、高效膨脹式封隔器、可鉆可取式注水封隔器、雙壓差逐級解封封隔器、可承受雙向壓差的封隔器等。現簡要介紹以下幾種封隔器原理及特點。

1）金屬封隔器。使用NiTi超彈合金材料作為密封件，這樣在工作時延展性大，受外力作用時會發生較大變形，而當外力消失時可以同時加溫，合金材料基本恢復到原來形狀。此外，該封隔器還具有內通徑大、耐高壓高溫、耐腐蝕性能強等優點。

2）跨隔封隔器。該型封隔器心軸下部設一臺階，為克服遇阻坐封或開井其下接頭上設有數個彈性爪，這樣有利于臺階支撐在彈性爪上，使得性能更加穩定可靠，有效解決了剪銷封隔器測試成功率低等問題，是目前較為理想的地層測試工藝裝置。

3）溶脹式封隔器。根據工作液的不同，可分鹽水類和原油類溶脹封隔器。該型封隔器通過充分利用橡膠在膨脹劑中發生自然膨脹的特性而研發的，當其與芳香烴類或鹽類液體接觸時，通過橡膠的吸收過程發生膨脹，從而達到封隔的效果，有效解決了傳統機械式封隔器存在的不足。

4）磁性黏彈體封隔器。主要密封件磁性黏彈物質而非橡膠，被永磁體吸附在油套環形空間，能可靠地封隔油套環形空間，特別適用于套管腐蝕變形井。

5）可黏可取式注水封隔器。屬于卡瓦式注水封隔器，既可以快速鉆磨取出，又可以采用投球憋壓或上提方式解封取出，通過配置防解封平衡保護機構和鉆磨防轉機構，利用中心管控制脫接技術，有效解決了錨定機構中脆性卡瓦易斷難回收問題，主要適用于高壓、腐蝕嚴重的深井。

4 結語

針對目前國內外封隔器的研究現狀，對封隔器單一部件比較多，應該多向系統部件的配合使用效果方向轉變;而且應該加大原理性的研究，避免小修小改過于頻繁;面對油氣井向更深方向發展，應加強深井超深井封隔器的研究，同時進一步做好封隔器產品和配套工具的標準化工作，有必要實現各石油單位的技術交流，啟動數據庫資源共享平臺，從而有助于封隔器今后的開發研究。

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