井下封隔器氣體密封性能試驗(yàn)

楊冠 何煒 胡耀輝

中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司 陜西 西安 710016

隨著石油資源的不斷開采，能源危機(jī)已經(jīng)成為世界各國所面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(chǎn)量，降低油田開采成本一直是油田企業(yè)所研究的重點(diǎn)內(nèi)容，近年來我國不斷學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)并結(jié)合我國石油資源的實(shí)際情況，逐步完善我國的開采技術(shù)，隨著開采技術(shù)的逐步進(jìn)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[1]。封隔器主要應(yīng)用于注水井、水平井以及分層采油等工藝中，其中，封隔器的密封性能是非常重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此，隨著油田開發(fā)深度的增加，對封隔器的密封性能要求也在提升，只有持續(xù)提高工藝要求和密封性能才能夠滿足油田開發(fā)需求[2]。

1 封隔器密封性能影響因素

封隔器是為了研究液體介質(zhì)的密封性而制作出來的工具，其能夠幫助油田完成井下分層次注入和收集。常見的壓縮式液壓封隔器因其原本構(gòu)造的原因，在承受左右交替變化壓力差時(shí)，液體密封水平嚴(yán)重不足，無法滿足高壓空氣靠譜密封的需求。然而世界各地研發(fā)的封隔器種類很多，將其按密封方式可分為以下四類：（1）密封式。自密封隔板的原理是通過密封件直徑與防水套管公稱直徑間的壓力差來實(shí)現(xiàn)密封實(shí)際效果。（2）壓縮式。壓縮式封隔器的原理是通過徑向力縮小封隔器，從而增加密封件的外徑，做到密封實(shí)際效果。（3）擴(kuò)大式。擴(kuò)大式封隔器的原理是通過封隔器的內(nèi)壁來提高密封件的外徑，以達(dá)到密封實(shí)際效果。（4）組合式。選用密封式、壓縮式、擴(kuò)大式封隔器開展優(yōu)化組合，以達(dá)到密封實(shí)際效果。密封性能的影響因素有以下四點(diǎn)：

（1）工藝管柱：受井深、環(huán)境溫度、井眼軌跡、壓井等因素的影響，為了能確封裝修隔斷裝置的密封 性能層面，一定要考慮管柱的變形。當(dāng)油氣田井中管柱壓力太大時(shí)，可能造成專用工具快速移動膠筒毀壞，進(jìn)而影響隔板的密封性能。因而，在日常工作中，管柱應(yīng)依據(jù)油氣井情況給予補(bǔ)償和糾正，以確保隔板的密封性能。

（2）工具質(zhì)量：其包括兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是封隔器膠筒產(chǎn)生的影響：密封性能完全取決于井筒與膠筒之間的接觸地應(yīng)力。為了確保密封性能，密封實(shí)際效果，膠筒務(wù)必能夠承受比較大的抗壓性，必須膠筒具有很高的抗壓強(qiáng)度，那如果膠筒抗壓強(qiáng)度太高，會影響到膠筒與防水套管接觸面的密封實(shí)際效果，膠筒也應(yīng)具有抗壓性平和的耐鹽性，避免橡膠軟管進(jìn)井后提早衰老，從而可能造成封隔器提早無效。另一點(diǎn)是封隔器座封和鎖定機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的影響：隔板坐椅密封的重要工作原理是借助活塞桿促進(jìn)坐椅密封組織，斷開坐椅密封釘，再次縮小膠筒，膠筒澎漲，做到隔板密封實(shí)際效果。當(dāng)活塞桿將橡膠汽缸坐椅密封到相應(yīng)位置時(shí)，隔板自動上鎖，進(jìn)行隔板坐椅密封。因而，隔板座椅密封組織、活塞和白鎖組織能決定隔板進(jìn)到井之后的密封性能。

（3）工具選型：油氣井常見的封隔器直徑有許多種。在使用中，應(yīng)針對不同的防水套管公稱直徑選擇適合自己的封隔器。如果是封隔器的膠筒很大，可能會致使進(jìn)井環(huán)節(jié)中膠筒毀壞，很容易出現(xiàn)解除限制狀況。隨后危害封隔器的密封性能。假如挑選密封橡膠軟管澎漲后，與防水套管內(nèi)壁的接觸面不符合規(guī)定需求，危害膠筒的抗壓性，造成密封非常容易無效。

（4）工作質(zhì)量：運(yùn)用通井技術(shù)性，可以確定井室是否具有下一個(gè)專用工具標(biāo)準(zhǔn)。在去除防水套管內(nèi)腔污漬等成分時(shí)，可能會致使封隔器密封不緊。在實(shí)際施工過程中，專用工具管柱進(jìn)井和校深可直接關(guān)系密封實(shí)際效果。

高壓氣密封管柱技術(shù)隨著CO2驅(qū)油技術(shù)在全世界的普及后也逐漸引起了全世界的關(guān)注。然而我國幾乎沒有對具備長期耐高壓氣密封能力的封隔器的相關(guān)研究，比如塔里木以及四川東北地區(qū)等油田通過國外引進(jìn)，從而運(yùn)用了高壓氣密封隔器以便氣井采氣，但其中的部分井存在密封性差的問題。所以，大多數(shù)低滲透油藏為了保證油氣田的回報(bào)率，以彌補(bǔ)最底層動能，進(jìn)而進(jìn)行氣體驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)，以在油氣田內(nèi)布局帶注支氣管柱注油氣井，開展注氣生產(chǎn)制造[3-4]。井下注支氣管柱中有注氣密封件，基上有橡膠密封件，密封件中密封件的材料和形式是危害密封件密封性的關(guān)鍵因素。一般情況下，密封件應(yīng)安裝在井下約3000m左右；環(huán)境溫度需保持在398～418K，而壓力應(yīng)當(dāng)保持在30～60MPa區(qū)間中。

2 材料及方法

2.1 材料

在比較橡膠硬度、抗拉強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、容積轉(zhuǎn)變、在高溫下試驗(yàn)品質(zhì)變化等性能指標(biāo)值后，選取了日本瑞翁的丁晴膠H1010-1和H2010-1兩組橡膠材料作為持續(xù)高溫氣體密封性能試驗(yàn)的密封件。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為兩部分，第一部分是對橡膠的主要性能進(jìn)行了測試，其中測試的橡膠的性能是：橡膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率變化以及質(zhì)量和體積變化，該試驗(yàn)是在433K高溫條件下進(jìn)行的。第二部分是在該試驗(yàn)結(jié)束后，在封隔器密封件的選擇的上優(yōu)先選取了日本瑞翁的丁腈橡膠H1010-1和H2010-1。選用介質(zhì)氣體N2，試驗(yàn)溫度393K的條件下對其進(jìn)行了封隔器密封件高溫氣密封性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)前，先將模擬封隔器與高壓筒拼裝，聯(lián)接各工業(yè)設(shè)備管路，開啟恒溫箱主電源總開關(guān)，依據(jù)數(shù)據(jù)處理器設(shè)定試驗(yàn)工作溫度，并進(jìn)行預(yù)熱。恒溫箱內(nèi)的溫度感應(yīng)器將溫度傳送到控制柜和信息處理器的顯示器上；隨后在信息處理器上設(shè)置氣體增壓水泵、左室工作壓力閾值；開啟精確測量罐的氣體搜集閥和自動放氣閥，保證擠壓加工氣體在坐封階段順利排出。

溫度超過預(yù)設(shè)值后，開始進(jìn)行試驗(yàn)，開啟氣罐電源開關(guān)，關(guān)掉水壓試驗(yàn)旁通閥、坐封進(jìn)氣閥、試壓泄氣閥、坐封泄氣閥，等坐式密封結(jié)束后關(guān)掉坐式密封進(jìn)氣閥門，開啟坐式密封自動排氣閥，并將坐式密封活塞上方的標(biāo)準(zhǔn)氣壓釋放完畢。隨后在關(guān)閉氣體收集閥門的同時(shí)利用進(jìn)水閥門向計(jì)量罐中不斷加水到溢流管有清水流出的程度，隨后關(guān)掉水閥和自動排氣閥。

在完成了全部的試驗(yàn)操作后，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉試驗(yàn)系統(tǒng)中用到的全部設(shè)備，并通過打開泄氣閥門來釋放高壓儲氣罐和高壓筒中的氣壓，等上述操作完畢后，再對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，從而對本次試驗(yàn)中用到的封隔器密封件的氣密性能進(jìn)行深入的分析。

2.3 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)介質(zhì)選用CO2或N2。試驗(yàn)過程中會用到的模擬密封裝置中有坐式密封活塞與密封件。座式密封活塞和液壓機(jī)密封件安裝于中心管外，擠壓加工液壓機(jī)密封件能夠密封中心管和高壓管間的氣體。

井下封隔器氣體密封試驗(yàn)方式中，高壓氣源形成裝置、泄露氣體計(jì)量裝置與控制裝置共同組成了試驗(yàn)所使用的密封試驗(yàn)系統(tǒng)。高壓氣源生成裝置同一時(shí)間與試壓管線和坐封管線相連接，氣體泄露收集管與泄漏氣體測量裝置連接，實(shí)際操作裝置與安裝在高壓氣源產(chǎn)生裝置里的壓力傳感器、安裝于恒溫箱內(nèi)的溫度感應(yīng)器及安裝在泄露氣體測量裝置里的水位傳感器相連接，模擬高壓氣動閥門產(chǎn)生裝置的密封裝置的坐封試驗(yàn)。

坐封管線、水壓試驗(yàn)管與高壓儲氣罐的出口管線是由一個(gè)三通管進(jìn)行連接的，且為了避免高壓儲氣瓶出入口管道與三通管中間安裝液位傳感器網(wǎng)線連接到操縱裝置的控制箱，在高壓儲氣罐的上方安裝有安全泄壓閥門。水壓試驗(yàn)管道與試壓旁通閥連接后，根據(jù)恒溫箱的水壓試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)口與高壓筒的水壓試驗(yàn)口聯(lián)接；水壓試驗(yàn)旁通閥與恒溫箱的水壓試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)口間的水壓試驗(yàn)管道上還設(shè)置了水壓試驗(yàn)自動排氣閥。

3 試驗(yàn)結(jié)果

433K高溫條件下橡膠的拉伸強(qiáng)度變化、斷裂生長率變化、質(zhì)量和體積變化及393k下，介質(zhì)氣體為N2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表1～表4。如表1所示。

表1 433K高溫條件下橡膠的拉伸強(qiáng)度變化

表2 433K高溫條件下橡膠的斷裂生長率變化

表3 433K高溫條件下橡膠的質(zhì)量和體積變化

表4 封隔器密封件高溫氣密封性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 討論

在433K高溫條件下橡膠的拉伸強(qiáng)度變化中，編號H2010-1的拉伸強(qiáng)度變化最大，而編號H1010-2的拉伸強(qiáng)度變化最小。在433K高溫條件下橡膠的斷裂生長率變化中，編號H2010-1的斷裂生長率變化最大，而編號H2010-2的斷裂生長率變化最小。在433K高溫條件下橡膠的質(zhì)量和體積變化中，編號H2010-1的質(zhì)量和體積變化最大，而編號H1010-2的質(zhì)量和體積變化最小。在393K試驗(yàn)環(huán)境下，H1010-1橡膠密封件在35MPa以下的工作壓力范圍之內(nèi)具有較好的氣體密封能力。當(dāng)高于35MPa時(shí)，氣體逐漸泄漏；H2010-1橡膠密封件逐漸泄漏，此時(shí)氣體泄漏的速度也伴隨著壓力的提升越來越快。因此可以得出：H1010-1橡膠材料的密封性能在35MPa注氣壓差的條件下，能夠達(dá)到此時(shí)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，所以便更適合用于井下注氣密封件的應(yīng)用中。

5 結(jié)束語

試驗(yàn)系統(tǒng)軟件在測試封隔器對氣體的密封能力時(shí)，可以通過恒溫箱和高壓氣動生成裝置來模擬井下具體高溫高壓注氣環(huán)境，此次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是最準(zhǔn)確的，因此得到的結(jié)果也是最真實(shí)的。試驗(yàn)系統(tǒng)測量髙壓氣體提升密封件的速度和時(shí)長時(shí)可以利用泄漏氣體計(jì)量裝置來進(jìn)行精確測量，以便剖析密封件在注氣運(yùn)行中密封氣體的能力。高溫高壓氣源生成裝置以及泄漏氣體計(jì)量裝置與控制裝置分布在防護(hù)墻的兩側(cè)，大大提升了試驗(yàn)安全系數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)可以為井下注氣密封零件的結(jié)構(gòu)調(diào)整各種材料提升提供幫助與參考，在延長注氣管柱的工作期限的同時(shí)做到了加強(qiáng)注氣驅(qū)油技術(shù)的普及與應(yīng)用。