超高溫高壓油氣井完井封隔器研制與應用

摘"" 要：隨著深井深層油氣田的勘探開發，超高溫高壓腐蝕性的特殊油氣田日益增多，對完井封隔器提出了更高要求，國內現有封隔器不能完全滿足工況需求。開發了一種耐高溫、高壓、腐蝕的新型特種氟橡膠材料和多材料復合密封單元結構，研制了溫壓指標232 ℃/103.4 MPa超高溫高壓油氣井完井封隔器。研制中進行了仿真分析和室內測試，并在現場作業中進行了應用。結果表明，在232 ℃/103.4 MPa測試條件下，密封單元密封完好，封隔器整機滿足API-11D1 V0等級的測試要求。在超高溫高壓環境累計14井次應用過程中，完井封隔器密封良好，無泄漏或失效情況發生，滿足油田生產需求，具有現場應用推廣價值。

關鍵詞：超高溫高壓;氟橡膠;封隔器;密封單元;有限元分析

中圖分類號：TE931.2"""""""" 文獻標志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.009

收稿日期： 2024-08-07

基金項目： 中國海洋石油集團有限公司關鍵核心技術攻關項目 “超高溫高壓油氣田完井工具研究與產業化”（CNOOC-KJGJHXJSGG YF 2020-01）。

作者簡介： 程文佳（1985-），男， 河南西華人，高級工程師，碩士，主要從事完井工具設計研究，E-mail：chengwj3@cnooc.com.cn。

Development and Application of Completion Packer for Ultra-high Temperature and High-Pressure Oil and Gas Wells

CHENG Wenjia， GUO Zhixia，ZHANG Qinlong，QIN Xiaofei，WEI Ruitao

（Tianjin Branch，China Oilfield Services Limited ，Tianjin 300459， China）

Abstract：" The exploration and development of deep oil and gas fields has led to an increase in the number of special oil and gas fields characterized by ultra-high temperatures and high-pressure corrosiveness. This has resulted in the necessity for completion packers that are capable of meeting the elevated requirements associated with these extreme conditions. Nevertheless， the current range of packers available in China is unable to satisfy the requirements of ultra-high temperature and high-pressure oil and gas production conditions. Accordingly， this article has developed a new type of special fluororubber material and a multi-material composite sealing unit structure that exhibits resistance to high temperature， high pressure， and corrosion. A super high-temperature and high-pressure gas well completion packer with a temperature and pressure level of 232 ℃/103.4 MPa has been developed， and a series of simulations and indoor tests have been conducted to evaluate its performance. Furthermore， the Parker has been implemented in on-site operations. The results demonstrate that the sealing unit is effectively sealed at 232 ℃/103.4 MPa， and the complete packer fulfils the criteria set out in API-11D1 V0 level testing. Following the cumulative application of the completion packer in 14 wells， it was observed that the sealing was consistently effective， with no leakage or failure. This finding indicates that the completion packer is capable of meeting the production demands of the oilfield and has the potential for on-site promotion and application.

Key words：ultra-high temperature and high pressure; fluoroelastomer; packer; seal unit; finite element analysis

文章編號：1001-3482（2025）01-0053-09

隨著油氣勘探開發向深層和超深層邁進，深層和超深層天然氣藏開采往往面臨高溫高壓挑戰。例如塔里木油田儲層的地層壓力超過103.4 MPa，地層溫度超過150 ℃[1-2] ，封隔器密封膠筒作為保證完井封隔器密封性能的關鍵部件，在高溫高壓環境下的性能成為封隔器密封是否可靠的主要因素[3-5]。目前，封隔器的密封件主要為橡膠產品，在高溫高壓工況下往往受到強烈侵蝕，如最大壓差達到103.4 MPa，工作溫度達到177 ℃時，將可能導致橡膠產品密封失效，發生泄漏，嚴重影響油氣井開發效率[6-7]。

國內在膠筒材料配方方面做了一些研究，以適應井下復雜環境。呂陽[8]、宋榮昊[9]、梁火壽[10]等研究了炭黑填料對氟橡膠性能的影響;高洪強等[11]研究了碳納米管在氟橡膠中的應用;李舜水等[12]研究了氣井腐蝕環境對封隔器膠筒橡膠材料的影響;張瑞、朱達江等[13-14]研究了幾種橡膠在含H2S和CO2酸性環境中的耐蝕性。也有專家學者借鑒和吸收國外的封隔器技術，研制出多種新型封隔器及其配套輔助工具。目前國內外對封隔器橡膠密封件的研究主要集中在力學分析、結構設計與改進、井下工作性能及封隔器室內試驗[15-18]。Ben研究了在高溫高壓下暴露于碳氫化合物（甲苯、庚烷和環己烷）混合物的典型炭黑增強氫化丁腈橡膠的力學性能[19]。然而，這些研究主要適用于工作壓力和溫度低于100 MPa和200 ℃的工況，不能完全滿足超高溫高壓氣井開發的需求。

針對上述問題，本文開展了特種橡膠材料配方及成型工藝、密封單元結構和封隔器整機研究，研制了超高溫高壓氣井完井封隔器，為深地層超高溫高壓油氣田作業提供了重要的裝備支撐。

1 特種氟橡膠材料研究

1.1 橡膠配方及工藝

根據高溫、高壓、強腐蝕特殊工況和密封單元結構的特性，制成80A、90A兩種不同硬度的特種氟橡膠材料。其中橡膠基體材料選用四丙橡膠——AFLAS氟橡膠，增強劑采用正常硫化速率（Normal）下平均顆粒在40～48 nm的炭黑材料，助劑選用對硫化膠耐熱性能和尺寸穩定性沒有影響的硬脂酸SA，并通過添加碳納米管的方式對原材料改性，形成橡膠與碳納米管的結合體，使之與橡膠相互復合制成類似于聚合物共混體的增強型復合材料，有效提升材料的力學性能、耐腐蝕性和抗氣爆性。

特種氟橡膠制成工藝采用生膠塑練→混煉→硫化→倒膠→薄通等一系列流程，其中硫化工藝是指線性高分子通過交聯作用而形成的網狀高分子的工藝過程，硫化性能好壞決定了橡膠制品的理化性能指標。

為確定耐溫232 ℃的80A、90A兩種特種橡膠材料的最佳硫化參數，進行了在不同溫度下的硫化曲線測試，160 ℃下硫化曲線如圖1～2所示。

特種氟橡膠在不同溫度下的硫化性能如表1所示，結果表明，溫度在145～150 ℃，時間在35～40 min時，80A橡膠材料具有良好的力學性能;溫度在145～150 ℃，時間在35～40 min時，90A橡膠材料具有良好的力學性能。2種特種氟橡膠材料拉伸強度等關鍵力學性能均優于同等邵氏硬度的AFLAS氟橡膠100H標準配方。

1.3 特種氟橡膠性能測試

1.3.1 物性測試

在232 ℃環境下，80A和90A兩種硬度的特種氟橡膠材料物性參數如表2所示。

1.3.2 特種氟橡膠材料的耐腐蝕性能測試

1） 耐酸性、堿性溶液腐蝕評價。

將橡膠測試件在分別置于質量分數為20%硫酸溶液和質量分數為20%硝酸溶液中，由恒溫水浴箱控制溫度為25 ℃，浸泡72 h;將橡膠測試件在分別置于質量分數為28%的氨溶液和質量分數為50%氫氧化鈉溶液中，由恒溫水浴箱控制溫度為25℃，浸泡168 h。測得腐蝕前后體積變化率如表4所示。

試驗結果表明，2種氟橡膠材料酸性、堿性腐蝕后體積變化率很小，均能達到AFLAS標準配方橡膠腐蝕后體積變化率小于5%的要求。由于存在測量誤差，體積變化率小于1%到達不可測范圍，故測試值有正有負。

2） 耐混合氣體性能評價。

特種氟橡膠材料在硫化氫和二氧化碳混合氣體腐蝕后，拉伸性能測試結果如表5所示。與AFLAS標準配方氟橡膠相比，2種特種氟橡膠材料的硬度變化小于6%、拉伸強度和扯斷伸長率小于20%，腐蝕后性能拉伸優于AFLAS標準配方氟橡膠。

3） 抗氣體穿透性能測試。

氟橡膠密封材料的氣體透過量匯總如表6所示，自研特種氟橡膠材料的抗氣穿性能測試結果優于同種條件下的AFLAS標準配方氟橡膠。

2 封隔器密封單元研究

2.1 橡膠材料本構模型選擇與試驗

為了模擬封隔器在實際服役時的力學行為，建立了材料本構模型，考慮橡膠材料超彈性高分子屬性具有大變形、不可壓縮的特點，在小應變范圍內將其視為線彈性體。橡膠材料本構關系一般用應變能密度函數描述，分析時認為橡膠是各向同性體。在封隔器工作過程中，邊膠筒和中膠筒的變形一般不超過Mooney-Rivlin本構的適用范圍，本研究在有限元分析中采用由Rivlin提出的級數形式的應變能函數：

[ijk][∑][∞][Cijk（I1-3）i（I2-3）j（I3-1）k（1）][W=]

式中：W為應變能密度;Cijk為材料常數;I1，I2 ，I3為第1，2，3 應變張量不變量。

Mooney-Rivlin模型能夠很好地描述橡膠材料在150%應變范圍內的變形。由于本文主要分析橡膠基復合材料的中小變形，所以后續分析中主要采用Mooney-Rivlin模型：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）（2）

式中：C10和C01為Rivlin系數，均為正定常數; I1，I2為第1，2 應變張量不變量。

有限元分析時，材料屬性已經弱化為在232 ℃環境下的性能，本構應力應變曲線如圖3所示。

2.2 封隔器密封單元結構設計及有限元分析

1） 結構設計。

封隔器密封單元結構設計采用上下對稱結構，從上到下依次為支撐環、護肩、護環、邊膠筒、中膠筒。采用多材料、多結構串聯的形式，可防止結構硬性破壞，減弱老化疲勞引起的性能下降。護環采用PTFE材質，可防止膠筒肩突，并起緩沖作用，防止膠筒發生失穩性破壞;支撐環和護肩采用金屬材料，防止膠筒朝油套環形空間突出和流動，從而提高和保持接觸應力。邊膠筒采用90A硬度特種氟橡膠，中膠筒采用80A硬度特種氟橡膠，中膠筒中部設計一個U型槽，可誘導中膠筒充分變形，從而獲得更高的接觸應力，提高其密封能力，封隔器密封單元如圖4所示。

2） 有限元分析。

根據封隔器密封單元的結構特點，建立密封單元二維軸對稱模型，如圖5所示 。其中中膠筒和邊膠筒為超彈性材料，結合特種氟橡膠材料的應力應變參數如圖6所示，通過非線性數值仿真軟件擬合得到超彈性模型的本構參數C10、C20、C30，完成特種氟橡膠材料的設定。

仿真分析邊界條件如7a所示，設定套管、上下壓塊為剛體，保留上壓塊x方向的移動能力，套管與下壓塊則完全固定。添加膠筒、護環、護肩與支撐環之間的相互接觸，同時考慮到膠筒的自身侵入現象，在邊膠筒和中膠筒添加自接觸，各部件間的摩擦因數設定為0.3[20]。密封單元的網格劃分情況如圖7b所示，套管和密封單元均采用CAX4R網格單元。

對密封單元施加220 kN軸向坐封力后，密封單元的應力分布如圖8所示，最大應力位于密封單元支撐環處為175 MPa，此時支撐環和護環發生塑性變形。膠筒部分的應力分布如圖9所示，最大壓應力位于U型槽處為107 MPa，當膠筒受到坐封力作用后，中間膠筒U型槽結構開始引導膠筒充分變形，U型槽處的上下橡膠材料發生接觸和擠壓變形容易產生應力集中現象，U型槽內部承流環的引入可以有效降低應力集中問題，避免膠筒中部撕裂導致封隔器密封失效。

密封單元的接觸應力分布如圖10a所示。

從圖10可以看出，最大接觸應力位于支撐環頂部為434 MPa，支撐環和金屬護肩與套管的最大接觸應力幅值分別為289 MPa，遠大于封隔器工作壓差103.4 MPa，這表明密封單元具有良好的防突功能，同時金屬結構也能夠充當次級密封裝置，保證密封單元的密封效果。膠筒的接觸應力分布如圖10b所示，膠筒與套管的接觸應力最大為110 MPa，大于工作時的壓差103.4 MPa，能夠保證密封單元的有效密封。

2.3 封隔器密封單元測試及結果分析

為驗證封隔器密封單元性能，設計了專用測試工裝。工裝由密封結構、活塞及其他安裝固定裝置組成，按照測試需要其上留有坐封加壓孔和上下環空加壓孔，密封單元測試工裝及實物如圖11所示。

按照API 11D1標準V0等級測試要求，以氮氣為測試介質加熱到232 ℃，保溫2 h，按照200 kN坐封膠筒，膠筒充分壓縮后分別上下環空打壓103.4 MPa，并各保壓15 min，得到上、下環空壓力測試曲線如圖12～13所示。過程中無壓降、無氣泡泄漏現象，拆卸后膠筒未發生損壞或肩突現象。試驗結果表明，膠筒變形充分，提供了足夠的接觸應力，與仿真結果一致，滿足232 ℃/103.4 MPa的高溫高壓要求。

3 封隔器研制

3.1 封隔器結構

應用新型特種氟橡膠材料和密封單元結構，研制了一種耐高溫高壓232 ℃/103.4 MPa的完井封隔器，封隔器主要結構如圖14所示，包括擋砂裝置、錨定機構、密封單元、坐封機構和切割解封機構。

3.2 封隔器測試及結果分析

利用高等級封隔器功能試驗設備進行封隔器測試，該裝置按照API 11D1 V0-H標準建設，最高測試壓力140 MPa，最高測試溫度350 ℃，配備加溫保溫裝置、控制柜實現試驗溫壓控制，并利用真空檢漏技術檢測封隔器密封性能，封隔器測試現場如圖15所示。

測試按照API 11D1 V0等級要求，在232 ℃/103.4 MPa條件下，進行本體低壓密封試驗、坐封功能試驗、氣體密封試驗、額定性能包絡線交叉點試驗（包括載荷試壓）、溫度循環試驗等測試項目，在包絡線交叉點測試中分別施加150、250" kN的拉伸載荷和150、250、450 kN的壓縮載荷，每項測試均需穩壓15 min，檢測壓降或氣體泄漏情況，各項測試參數和測試結果如表7和圖16～17所示。

試驗全程無壓降或氣泡產生，滿足API 11D1 V0等級的壓降小于1%或無氣泡的要求。膠筒無氣泡、無損壞。試驗結果表明，利用新型特種橡膠材料制備的封隔器密封單元具備良好的高溫密封性能，工具符合現場232 ℃/103.4 MPa工況的使用需求。

4 現場應用

封隔器在特殊油氣田中應用累計14井次， 主要有中石油迪那油田6次、渤海曹妃甸油田2次、東海黃巖油田3次。典型超高溫高壓封隔器應用如表8所示。

應用中，最高耐溫要求177 ℃，最大壓力101 MPa，封隔器密封良好，無泄漏或失效發生。

5 結論

1） 為滿足超高溫高壓氣井開發需求，通過開展橡膠材料配方、橡膠成型工藝的方法研究，形成了80A和90A 兩種硬度的特種橡膠密封材料，并經過室內測試，驗證其具備良好的物性、耐腐蝕性和抗氣爆性，滿足高溫高壓環境下橡膠材料的屬性要求。

2） 研發了由80A、90A兩種硬度橡膠材料以及PTFE、金屬材料組成的復合型密封單元，通過仿真分析得到金屬支撐環和護肩能有效避免膠筒的“肩突”現象，可實現輔助密封作用。開展了密封單元的測試，結果表明復合型密封單元在232 ℃/103.4 MPa下具有良好的密封能力。

3） 研制了超高溫高壓氣井完井封隔器的工具整機，并完成了232 ℃/103.4 MPa的超高溫高壓環境下的API 11D1 V0等級測試，封隔器在高溫高壓環境下表現穩定，實現了無氣泡密封。

4） 在現場應用過程中封隔器密封良好，無泄漏和損壞現象，滿足超高溫高壓環境要求，具備在超高溫高壓氣井應用推廣。

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（編輯：李國宏）