淺談高溫高壓井下封隔器發展現狀

盧秋羽，李俊亮，許永權，宮磊磊，姚金劍，任保晶

(1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室，黑龍江 大慶 163311)

1 傳統封隔器面臨的問題與挑戰

隨著人們對石油和天然氣的需求日益增長，油氣行業得到了快速發展，勘探目的層由中淺層向深層和超深層延伸，深層將成為油田行業重要的發展領域之一。21世紀以來，在深層勘探方面有了一些突破性進展，在塔里木、四川、鄂爾多斯和松遼盆地都發現了碳酸鹽巖大油氣區，東部地區和西部地區分別在4500m 和6000m 以深取得了突破進展，深度整體下延1500～2000m，由此可知，深部油氣資源已經成為國內油氣勘探重點接替領域。近年來，四川盆地研究重點放在了深層油氣資源上，在川中寒武系、震旦系等地層成功開采后，繼續向儲層更深、更加復雜的川西二疊統、川東震旦系等地層延伸，深度可高達8000m，地層壓力高達147Mpa，地層溫度超過200℃，且部分地層中含有H2S，這些深部儲層的復雜條件對井下設備、工具、材料等提出更高的要求。在高溫、高壓、高含硫的條件下，井下工具、設備等都需要提升性能以達到更高的要求。

傳統封隔器難以滿足高溫、高壓、高含硫條件下的生產要求。主要原因在于橡膠密封原件在酸性環境中易被腐蝕，在高溫、高壓條件下易受損，所以不能滿足密封要求；卡瓦在載荷壓力較大的情況下易被破壞，影響錨定功能，不能滿足承載能力要求；傳統封隔器結構復雜，下井耗時長且坐封成本高，不能滿足經濟省時的要求。發現與超深井相匹配的封隔器嚴重空缺，因此有必要總結目前封隔器技術及產品，進一步開發新的結構與材料，以適應深部油氣資源開發條件，為超深井開發提供有力支持。

2 封隔器發展現狀

隨著油氣田開發不斷向深井和超深井發展，油氣井產層分布越來越復雜，對封隔器耐溫耐壓等方面的技術提出了新的挑戰，使得封隔器的研發方向更加專業化和多樣化，國內外先后在結構和材料2 個方面改進封隔器的設計，使封隔器在性能方面更加優良，用途更加廣泛。

K344 是一種典型的傳統封隔器，靠膠筒向外擴張來封隔油、套管環形空間。但其存在承壓性能低、施工規模受限等問題，當溫度大于150℃時，在反復坐封、解封過程中容易出現膠筒密封不嚴的情況。針對以上問題，程智遠等設計了一種可控封隔器，通過投球實現針對性的啟動對應層位封隔器，提高了膠筒的密封性和使用壽命。韓永亮設計了一種K344 型可溶輔助解封壓裂封隔器，采用輔助承壓/解封機構和膠筒一體化中心管結構，通過室內試驗及現場應用證實了該結構有效提高了工具的耐溫、承壓性能。王瑞等提出了一種新型波紋狀鋼骨架封隔器，可以有效地降低封隔器膠筒中部應力，結構如圖1 所示，并對鋼骨架厚度及材料方面進行了結構優化，使得綜合坐封效果更好，同時能減少高含硫氣體的泄漏。

圖1 K344 波紋狀鋼骨架封隔器結構

卡瓦作為封隔器的關鍵部件，在坐封過程中起著固定支架的作用，確保封隔器長期穩定密封。針對坐封后套管壓力對卡瓦造成的損壞問題，TANG Yang 等人建立了有限元分析模型，分析3 種參數下滑動齒的承壓規律，得出隨著卡瓦數、齒距、齒頂角的增加，卡瓦應變減小，卡瓦彎矩增大的規律。針對卡瓦在長期錨定套管壁時，過大的嵌入深度可能會導致套管損壞、失效，使套管壁遭到破壞的問題，徐建寧等人模仿蠑螈足墊和樹蛙腳掌的密排六棱柱形狀設計了一款仿生六棱柱齒狀卡瓦，采用有限元數值模擬對該卡瓦牙型結構參數進行優化，優化后結構比常規結構牙痕深度減小了44.12%～47.10%，套管內表面產生的應力減小了14.61%～15.25%，證明仿生六棱柱齒狀卡瓦的穩定性要優于常規齒狀卡瓦。

DONG Liangliang 等人研究了溫度載荷對封隔器橡膠密封性能和強度性能的影響,分析了高溫條件下膠管-套管間隙、相鄰膠管接觸面傾角和初始載荷等關鍵參數對封隔器密封性能的影響，結果表明在高溫下，間隙越大，封隔器密封性能越差；傾角為12°～24°時，密封性能較好；建議封隔器膠管安全密封的初始設定極限載荷為68～76kN，該研究對封隔器膠管結構的設計及其對高溫條件的適應性具有重要意義。劉陽針對塔北深層碳酸鹽巖區塊超深、高溫和高壓的特點，設計了一種耐高溫酸壓完井裸眼封隔器，結構如圖2 所示，改善了目前耐溫160℃、承壓50 MPa 的裸眼封隔器在使用過程中存在因鋼骨架變形大無法坐封和高溫老化失封的問題，該完井封隔器利用高拉伸率氟橡膠（FKM）制作膠筒，可以將使用溫度提高到180℃，設置錨定機構和進液保護機構可以降低失效風險，該耐高溫酸壓完井裸眼封隔器可以滿足完井-酸壓-求產一體化工藝需求。

圖2 耐高溫裸眼封隔器結構

傳統封隔器以橡膠為密封元件，但橡膠耐高溫、耐高壓、耐磨蝕性能差，并不適合深部油氣田開發的環境。而金屬材料在深層環境下具有較強的優勢，形狀記憶合金是一種特殊合金材料，NiTi 合金具超彈性，此合金具有很好的抗腐蝕性和較長的使用壽命，金屬間的過盈密封方式增加了內通徑，是作為封隔器密封元件材料的理想選擇。安少云等人利用NiTi 形狀記憶合金制造井下封隔器密封件，并進行了NiTi 合金密封件的性能實驗，結果證明NiTi 合金密封件承壓能力高，密封效果良好，可以代替傳統的橡膠密封。仇煒諫以QSA-114 封隔器為基礎，結合油田現場環境，設計了一種新型超彈性金屬密封橋塞及其電動坐封工具，結構如圖3 所示，通過有限元分析驗證了NiTi 合金材料的密封性能。張同善基于QSA-114 封隔器的工作原理，結合密封元件的密封機理與功能特點，設計了一種新型的封隔器金屬密封元件，經過有限元分析發現，密封元件在坐封后的最大應力為低于材料的屈服極限，接觸應力大于鍍層金屬屈服極限的5 倍，可實現無泄漏密封，且可耐腐蝕，所以設計的新型金屬密封元件能提供可靠的密封。

圖3 新型電動橋塞坐封工具總結構圖

3 結語

隨著油氣行業的快速發展，深部油氣資源已經成為重點研究對象，而深層環境更加復雜，具有高溫、高壓、高含硫的特點。通過調研國內外封隔器發展現狀，發現傳統封隔器已不適合深部儲層的復雜環境，由于橡膠密封原件只適用于低溫和低壓的環境，并且在酸性液體中容易老化，影響封隔器的使用性能和壽命。雖有一些學者對封隔器結構和橡膠材料進行優化，但仍難以達到所需的應用要求。而NiTi 形狀記憶合金由于具有優良的形狀記憶效應、良好的機械性能和耐腐蝕性，適應深部儲層復雜惡劣的賦存環境，具有經歷較大應變后自動恢復初始形狀及應變的能力，將形狀記憶合金應用于封隔器研發可有效解決密封難題。可以進一步研究設計新型全金屬封隔器，并開展全金屬封隔器產品性能實驗設計，從而有助于封隔器在深部儲層復雜情況下的開發研究。