壓縮式封隔器在水平井分段壓裂中的應用與改進

李峰+陳強+林和祥+趙法武

摘要： 水平井裸眼分段壓裂工藝技術的核心組件之一是壓縮式裸眼封隔器，封隔器密封元件的密封性能是決定封隔器使用效果的關鍵因素，直接影響壓裂施工的效果，隨著水平井完井技術不斷向深井、超深井發展，迫使封隔器工況越來越惡劣，常規封隔器的膠筒與水平段的裸眼井壁直接接觸，并伴隨高溫、高壓液體的影響，常出現膠筒組與井壁間接觸壓力低、膠筒與中心管間易產生滲漏等缺點，降低了膠筒組的密封性能，導致封隔器密封失效，為提高封隔器的封隔能力，可從封隔器密封結構設計入手，從而提高膠筒與井壁、中心管間的接觸壓力，保證封隔器密封可靠性。

關鍵詞： 壓縮式裸眼封隔器；密封性能；密封結構；水平井；分段壓裂工藝

封隔器密封元件的密封性能是決定水平井裸眼分段壓裂工藝技術封隔器使用效果的關鍵因素，為提高封隔器的封隔能力，可從封隔器密封結構設計入手，從而提高膠筒與井壁、中心管間的接觸壓力，保證封隔器密封可靠性。借助ABAQUS分析軟件，依據密封結構仿真分析規范及評價方法，對新型四膠筒密封結構進行了研究，包括膠筒數量與隔環形狀對膠筒組接觸壓力的影響，為合理設計封隔器密封結構具有指導性意義。

1新型四膠筒密封結構

為提高壓縮式裸眼封隔器密封結構的封隔器能力，可從膠筒數量進行分析研究，提出一種新型四膠筒組密封結構。常規組合膠筒是上膠筒、中膠筒、下膠筒的三膠筒組合形式，新型組合膠筒采用四膠筒的組合形式，即兩長兩短，與常規組合膠筒相比，在保持總體長度不變情況下，新組合膠筒以兩個長為37mm的短膠筒和一個72mm的長膠筒代替原來長為75mm的上、下膠筒，同時增加一個隔環，取端面斜角γ=50°，詳細參數見下表。根據第三章建立的分析規范可知，四膠筒網格劃分依然采用CAX3H三節點線性軸對稱雜交三角形單元，共劃分2160個單元。

2 密封結構與井壁接觸壓力研究

分析計算結果云圖如圖3-2所示，當膠筒端面斜角取50°時，沿膠筒組與井壁接觸取一路徑得到新型四膠筒組接觸壓力分布曲線，當施加12MPa的坐封力時，常規封隔器中膠筒起主要密封作用，上、下膠筒起密封作用的同時保護中膠筒，中間密封膠筒最大接觸壓力為2.582MPa，接觸長度為43.362m；在施加同等坐封力情況下，新型四膠筒組接觸壓力呈現從加載端依次遞減的趨勢，新型四膠筒組采用兩長兩短的布局模式，中間兩長膠筒較軟起主要密封作用，兩端短膠筒較硬主要起保護中間膠筒的作用，從而提高了膠筒密封的可靠性，其中起密封作用的第二、三膠筒最大接觸壓力、接觸長度分別為3.38MPa、45.08mm，2.94MPa、44.06mm；第一、四膠筒最大接觸壓力、接觸長度分別為3.58MPa、17.56mm，2.85MPa、15.23mm，因為第一、四膠筒主要是起保護中間兩密封膠筒的作用，故接觸長度較短對密封性能影響較小，但提高第一、四膠筒的接觸長度更有利于避免密封膠筒的損壞，常規三膠筒組與新型四膠筒組的最大接觸壓力值及接觸長度值詳見下表所示。綜上可知，與常規三膠筒組相比，新型四膠筒組的密封接觸長度提高了1.05倍，最大接觸壓力和平均接觸壓力分別提高了30.9%和25.6%，由于膠筒組的密封膠筒接觸壓力與接觸長度都增大，表明新四膠筒組密封結構可使坐封力更佳有效的傳遞給密封膠筒，究其原因第一膠筒比常規上膠筒短，在新型四膠筒組密封結構坐封時，第一膠筒與井壁接觸長度減小，使中間兩密封膠筒更加充分的與井壁接觸，從而提高膠筒組接觸壓力，保證封隔器的密封性。

3 密封結構端面斜角優化研究

保持上述邊界條件不變，施加同等坐封力12MPa時，研究不同端面斜角對新型四膠筒組密封結構的密封性能影響，當端面斜角為γ=40°時，密封膠筒的最大接觸壓力及接觸長度分別為3.05MPa、83.37mm，平均接觸壓力為1.78MPa；當斜角為γ=45°時，密封膠筒最大接觸壓力及接觸長度分別3.83MPa、87.91mm，平均接觸壓力為2.67MPa；當斜角為γ=50°時，密封膠筒最大接觸壓力及接觸長度分別3.38MPa、89.14mm，平均接觸壓力為1.93MPa；當斜角為γ=60°時，密封膠筒最大接觸壓力及接觸長度分別3.59MPa、83.12mm，平均接觸壓力為2.42MPa。綜上分析可得，當新型四膠筒組封隔器坐封時，在保證密封膠筒接觸長度相當的情況下，膠筒端面斜角為γ=45°時，接觸壓力最大且呈現馬鞍狀均勻分布，膠筒組密封性能達到最佳，保證了封隔器的密封可靠性。

圖2 在不同端面斜角下新型四膠筒組的接觸壓力分布圖

4 摩擦因數對新型四膠筒結構與井壁間接觸壓力的影響

因裸眼井壁為復雜隨機不規則曲面，下面對新四膠筒組各膠筒在摩擦因數介于0.2～0.8間接觸壓力進行對比分析，獲得新型四膠筒組與井壁間接觸壓力的分布規律。可依據下述表達式計算出在不同摩擦因數下，各膠筒與井壁間的最大接觸壓力值y為：

其中，y1為第一膠筒與井壁間接觸壓力，MPa；y2為第二膠筒與井壁間接觸壓力，MPa；y3為第三膠筒與井壁間接觸壓力，MPa；y4為第四膠筒與井壁間接觸壓力，MPa；x為膠筒組與井壁間的摩擦因數。

5 計算結果分析

與常規三膠筒組密封結構相比，新型四膠筒組密封結構采用兩短兩長的布局模式，中間兩長膠筒起主要密封作用，兩端短膠筒起保護中間膠筒的作用，中間兩密封膠筒的最大接觸壓力及平均接觸壓力分別提高了30.9%、25.6%，接觸總長度提高了1.05倍，從而將坐封壓力更有效的傳遞給密封膠筒，提高了封隔器的密封可靠性；當新型組合四膠筒端面斜角為45°時，在密封膠筒的接觸長度較長、但接觸壓力最大且分布均勾，膠筒的密封性能最佳；摩擦因數介于0.2～0.6之間，各膠筒間接觸壓力分布均勻，更有利于封隔器的密封；但新型四膠筒組密封結構的第一、四膠筒的接觸長度比較短，需要進一步提高兩端膠筒的接觸長度，以保障中間兩密封膠筒。