井下封隔器的密封性能研究

蔡有山

摘要：随着油田的不断开发，油田的勘探逐渐走向高温高压和深层油田开发方向，为了能够提高开采效率和这样复杂的开采环境，需要对井下封隔器进行不断创新和完善，因此井下封隔器逐渐向性能更高的方向发展，井下封隔器的密封性能非常关键，因此对井下封隔器的密封性能进行分析是非常重要的研究内容，随着新技术的不断发展，井下封隔器密封性能要求越来越高。

关键词：井下封隔器;密封性能;研究

随着石油资源的不断开采，能源危机已经成为世界各国所面临的一项重大挑战，社会经济的发展离不开能源的支持，石油资源是非常重要的能源，因此不断增加石油产量，降低油田开采成本一直是油田企业所研究的重点内容，近年来我国不断学习国外的先进技术并结合我国石油资源的实际情况，不断完善我国的开采技术，随着开采技术的不断进步，我国石油资源的开采量也在增加。封隔器在石油开采过程中是非常重要的井下工具，封隔器主要应用于注水井、水平井以及分层采油等工艺中。封隔器的密封性能是非常重要的评价标准，因此，随着油田开发深度的不断增加，对封隔器的密封性能要求也在不断提升，只有不断提高工艺要求和密封性能才能够满足油田开发需求。

1封隔器的分类

世界各国对封隔器的研制有很多种类型，其中按密封方式主要可以分为以下几种：

（1）自封式。自封式封隔器的原理是依靠密封件外径与套管内径之间的压差来实现密封效果。

（2）压缩式。压缩式封隔器的原理是依靠轴向力对封隔器进行压缩，从而使密封件外径增大实现密封效果。

（3）扩张式。扩张式封隔器的原理是依靠封隔器内腔，使密封件外径增大从而实现密封效果。

（4）组合式。通过利用自封式，压缩式和扩张式封隔器进行有效组合，从而实现密封效果。

2封隔器密封性能的力学性能分析

2.1封隔器密封胶筒的工作状态及密封原理

封隔器在工作过程中一般分为初封、密封和解封三个状态，因此胶筒在工作过程中，主要有自由变形、约束变形和稳定变形三个阶段。自由变形是指胶筒在出风荷载的作用下发生压缩形变，胶筒和套管内壁没有接触并不产生的接触应力时所发生的变形。约束变形是指在座封荷载的作用下，胶筒和套管内壁进行接触所完成的一个变形过程。自由变形属于弹性变形，自由变形中胶筒通体积变化不大。约束变形是由于胶筒受到了套管内壁和封隔器中心管之间的压力变形，在双向作用力下，胶筒不仅承受轴向力作用，而且还会受到接触应力和摩擦力的作用，此时胶筒的体积会发生变化。稳定变形是指在约束变形的基础上，交筒会产生非线性约束变性。

2.2封隔器胶筒力学性能的理论和方法

胶筒在自由变形阶段主要包含应变和应力模型，约束变形和稳定性变形阶段胶筒除了受到应力和应变分析以外，还需要对胶筒密封面所受的应力进行分析。胶筒在自由变形中主要是通过微单元进行应变分析，并且胶筒在自由变形中体积不会发生改变，利用虎克定律可以建立出胶筒在自由变形中的应力方程，从而能够确定封隔器的初封力大小和胶筒压缩高度。而约束变形和稳定变形主要是依靠胶筒在轴向和径向所受压力状态下的模型方程，在建设方程过程中，可以将胶筒所产生的变形弹性力和摩擦力为胶筒所承受的轴向荷载。利用虎克定律和弹性力学理论能够建立胶筒在约束变形和稳定变形过程中所产生的轴向方程。

3影响封隔器密封性能的因素分析

3.1工艺管柱的影响

封隔器受井深、温度、井眼轨迹、洗井等因素影响，为了能够确封隔器的密封性能，必须要考虑管柱的变形情况，管柱在油田井中受到压力过大时，可能会导致工具移动、胶筒破损等情况，从而导致封隔器的密封性能受到影响，因此在实际工作中管柱应根据油井状况进行补偿、扶正等工作，从而确保封隔器的密封性能。

3.2工具质量的影响

（1）封隔器胶筒的影响

封隔器密封性能的好坏主要取决于井壁与胶筒之间的接触应力，为了能够确保密封效果，胶筒必须能承受较大的耐压能力，需要胶筒拥有较高强度，但是如果胶筒的强度过高，会影响胶筒与套管接触面的密封效果，胶筒还必须拥有耐温和耐盐能力，防止膠筒入井后提前老化的现象，进而有可能造成封隔器提前失效。

（2）封隔器座封及锁定机构的影响

封隔器座封的主要原理是依靠在进行打压时活塞推动座封机构，剪断防座封销钉后继续压缩胶筒，胶筒发生膨胀达到封隔器密封效果。当活塞推动胶筒座封到达相应位置时，封隔器会自动锁定，完成封隔器座封。因此封隔器的防座封机构、活塞以及自锁机构能够决定封隔器在入井之后的密封性能。

3.3工具选型的影响

油井常用的封隔器外径有很多种类，在进行使用的过程中，应该根据不同的套管内径来选择合适的封隔器。如果选择封隔器的胶筒过大，那么在入井过程中可能会导致胶筒损坏，容易出现解封现象。进而影响封隔器的密封性能。如果选择封隔器胶筒过小胶筒在膨胀以后，会与套管内壁的接触面积达不到相关要求，从而影响胶筒的耐压能力，导致封隔器容易失效。

3.4作业质量的影响

利用通井技术可以判断井筒是否具备下工具条件，在进行去除套管内壁污垢等物质的存在，有可能会造成封隔器密封不严的情况发生。在具体施工过程中，工具管柱入井和校深能够直接影响密封效果，胶筒损坏和管柱校对错误都有可能导致密封失效。密封压力不足和稳压时间过短，会导致封隔器座封后出现自动解封状况。因此在实际操作过程中，需要提高出油、出沙井以及洗井的工作质量，并对座封效果进行检测，从而确保封隔器能够正常实施。

4结束语

通过对井下封隔器的密封性能进行研究，可以看出传统封隔器在耐高压气风方面存在很多问题，只有对封隔器座封力动态过程进行研究，了解封隔器座封力的加载方式对密封性能所造成的影响，从而为提高封隔器的密封性能提供理论基础。在长期密封过程中，能够有效满足油田现场安全注气生产需求。

参考文献：

[1]田启忠.井下封隔器气体密封性能试验研究[J].石油矿场机械，2016，v.45;No.322（01）：60-63.

[2]张峰.油田井下封隔器密封性能影响因素研究[J].钻采工艺，2018，v.41;No.205（04）：10+88-90.

[3]张付英，姜向敏，孙宇佳，宋娜娜.悬挂式封隔器密封胶筒的密封性能研究？[J].润滑与密封，2016（12）