井下封隔器的密封性能研究

蔡有山

摘要：隨著油田的不斷開發，油田的勘探逐漸走向高溫高壓和深層油田開發方向，為了能夠提高開采效率和這樣復雜的開采環境，需要對井下封隔器進行不斷創新和完善，因此井下封隔器逐漸向性能更高的方向發展，井下封隔器的密封性能非常關鍵，因此對井下封隔器的密封性能進行分析是非常重要的研究內容，隨著新技術的不斷發展，井下封隔器密封性能要求越來越高。

關鍵詞：井下封隔器;密封性能;研究

隨著石油資源的不斷開采，能源危機已經成為世界各國所面臨的一項重大挑戰，社會經濟的發展離不開能源的支持，石油資源是非常重要的能源，因此不斷增加石油產量，降低油田開采成本一直是油田企業所研究的重點內容，近年來我國不斷學習國外的先進技術并結合我國石油資源的實際情況，不斷完善我國的開采技術，隨著開采技術的不斷進步，我國石油資源的開采量也在增加。封隔器在石油開采過程中是非常重要的井下工具，封隔器主要應用于注水井、水平井以及分層采油等工藝中。封隔器的密封性能是非常重要的評價標準，因此，隨著油田開發深度的不斷增加，對封隔器的密封性能要求也在不斷提升，只有不斷提高工藝要求和密封性能才能夠滿足油田開發需求。

1封隔器的分類

世界各國對封隔器的研制有很多種類型，其中按密封方式主要可以分為以下幾種：

（1）自封式。自封式封隔器的原理是依靠密封件外徑與套管內徑之間的壓差來實現密封效果。

（2）壓縮式。壓縮式封隔器的原理是依靠軸向力對封隔器進行壓縮，從而使密封件外徑增大實現密封效果。

（3）擴張式。擴張式封隔器的原理是依靠封隔器內腔，使密封件外徑增大從而實現密封效果。

（4）組合式。通過利用自封式，壓縮式和擴張式封隔器進行有效組合，從而實現密封效果。

2封隔器密封性能的力學性能分析

2.1封隔器密封膠筒的工作狀態及密封原理

封隔器在工作過程中一般分為初封、密封和解封三個狀態，因此膠筒在工作過程中，主要有自由變形、約束變形和穩定變形三個階段。自由變形是指膠筒在出風荷載的作用下發生壓縮形變，膠筒和套管內壁沒有接觸并不產生的接觸應力時所發生的變形。約束變形是指在座封荷載的作用下，膠筒和套管內壁進行接觸所完成的一個變形過程。自由變形屬于彈性變形，自由變形中膠筒通體積變化不大。約束變形是由于膠筒受到了套管內壁和封隔器中心管之間的壓力變形，在雙向作用力下，膠筒不僅承受軸向力作用，而且還會受到接觸應力和摩擦力的作用，此時膠筒的體積會發生變化。穩定變形是指在約束變形的基礎上，交筒會產生非線性約束變性。

2.2封隔器膠筒力學性能的理論和方法

膠筒在自由變形階段主要包含應變和應力模型，約束變形和穩定性變形階段膠筒除了受到應力和應變分析以外，還需要對膠筒密封面所受的應力進行分析。膠筒在自由變形中主要是通過微單元進行應變分析，并且膠筒在自由變形中體積不會發生改變，利用虎克定律可以建立出膠筒在自由變形中的應力方程，從而能夠確定封隔器的初封力大小和膠筒壓縮高度。而約束變形和穩定變形主要是依靠膠筒在軸向和徑向所受壓力狀態下的模型方程，在建設方程過程中，可以將膠筒所產生的變形彈性力和摩擦力為膠筒所承受的軸向荷載。利用虎克定律和彈性力學理論能夠建立膠筒在約束變形和穩定變形過程中所產生的軸向方程。

3影響封隔器密封性能的因素分析

3.1工藝管柱的影響

封隔器受井深、溫度、井眼軌跡、洗井等因素影響，為了能夠確封隔器的密封性能，必須要考慮管柱的變形情況，管柱在油田井中受到壓力過大時，可能會導致工具移動、膠筒破損等情況，從而導致封隔器的密封性能受到影響，因此在實際工作中管柱應根據油井狀況進行補償、扶正等工作，從而確保封隔器的密封性能。

3.2工具質量的影響

（1）封隔器膠筒的影響

封隔器密封性能的好壞主要取決于井壁與膠筒之間的接觸應力，為了能夠確保密封效果，膠筒必須能承受較大的耐壓能力，需要膠筒擁有較高強度，但是如果膠筒的強度過高，會影響膠筒與套管接觸面的密封效果，膠筒還必須擁有耐溫和耐鹽能力，防止膠筒入井后提前老化的現象，進而有可能造成封隔器提前失效。

（2）封隔器座封及鎖定機構的影響

封隔器座封的主要原理是依靠在進行打壓時活塞推動座封機構，剪斷防座封銷釘后繼續壓縮膠筒，膠筒發生膨脹達到封隔器密封效果。當活塞推動膠筒座封到達相應位置時，封隔器會自動鎖定，完成封隔器座封。因此封隔器的防座封機構、活塞以及自鎖機構能夠決定封隔器在入井之后的密封性能。

3.3工具選型的影響

油井常用的封隔器外徑有很多種類，在進行使用的過程中，應該根據不同的套管內徑來選擇合適的封隔器。如果選擇封隔器的膠筒過大，那么在入井過程中可能會導致膠筒損壞，容易出現解封現象。進而影響封隔器的密封性能。如果選擇封隔器膠筒過小膠筒在膨脹以后，會與套管內壁的接觸面積達不到相關要求，從而影響膠筒的耐壓能力，導致封隔器容易失效。

3.4作業質量的影響

利用通井技術可以判斷井筒是否具備下工具條件，在進行去除套管內壁污垢等物質的存在，有可能會造成封隔器密封不嚴的情況發生。在具體施工過程中，工具管柱入井和校深能夠直接影響密封效果，膠筒損壞和管柱校對錯誤都有可能導致密封失效。密封壓力不足和穩壓時間過短，會導致封隔器座封后出現自動解封狀況。因此在實際操作過程中，需要提高出油、出沙井以及洗井的工作質量，并對座封效果進行檢測，從而確保封隔器能夠正常實施。

4結束語

通過對井下封隔器的密封性能進行研究，可以看出傳統封隔器在耐高壓氣風方面存在很多問題，只有對封隔器座封力動態過程進行研究，了解封隔器座封力的加載方式對密封性能所造成的影響，從而為提高封隔器的密封性能提供理論基礎。在長期密封過程中，能夠有效滿足油田現場安全注氣生產需求。

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