天然气井试油完井过程中快速泄压对井下工具密封性的影响

贾 海，王东林，潘 登，赵智勇，何亚彬，陈华良，黄靖富

1 中国石油川庆钻探工程有限公司试修公司 2 中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司 3中国石油西南油气田分公司川中油气矿

0 引言

随着勘探开发向纵深发展，试油完井作业面临最大作业井深超8 000 m，最高工作温度超230 ℃，最高地层压力超170 MPa等极端工况，对试油完井工艺技术提出了更大挑战[1- 4]，特别是对试油完井井下工具的性能提出了更高要求。

试油完井作业中所有通过静液柱压力操作的压控式井下工具均有空气室，如RD循环阀、RD安全循环阀、可控封堵阀等，其空气室的密封压差是绝对静液柱压力，即液柱压力和井口压力的总和，有些超深高压井储层改造时，绝对静液柱压力高达210 MPa以上[5- 7]。

在川渝地区高温高压天然气井的试油完井中，多次出现了压控式井下工具破裂盘未被设定的环空操作压力击破而不能正常操作的现象，给试油完井作业带来了困扰。例如可控封堵阀、RD循环阀、RD安全循环阀等工具多次出现因高压天然气进入工具的空气室而造成工具不能动作，或动作后起工具途中芯轴上移循环孔被再次关闭的现象，之前把原因归结为空气室内的密封脂高温气化形成了圈闭压力、密封面和密封元件的腐蚀或损伤造成了天然气渗入形成的圈闭压力等[8- 10]。当进一步认识了“气体快速泄压”(RGD)效应后，发现之前分析的工具失效原因并不完全正确，大部分问题是由于橡胶密封元件产生了RGD效应而造成的。

1 RGD效应的形成

RGD效应是指含气系统中的压降速率快于弹性体(聚合物)内部气体的扩散速率时，快速压降会导致滞留在弹性体内的气体发生膨胀的现象[11- 13]。

1.1 RGD效应的破坏机理

橡胶在生产过程中会产生微小孔隙，在高压作用下气体会渗入到橡胶的微小孔隙中，并滞留其中直到完全饱和；当外部压力突然降低时，滞留在橡胶孔隙中的气体快速膨胀并产生气泡，当由此产生的拉伸应力大于橡胶自身的拉伸强度时，裂纹形成并且扩张；在多次加压泄压循环条件下，致使孔隙周围材料疲劳，导致爆炸分解，从内部破坏橡胶结构，使橡胶的密封性能降低，甚至失去密封性能[13]。RGD效应示意图见图1，受到RGD效应破坏的“O”型密封圈见图2。

图1 RGD效应示意图

图2 RGD效应后的“O”型密封圈

1.2 RGD效应的形成条件

橡胶中渗入的气体量与所处环境的介质、压力、温度以及与介质接触时间的长短密切相关。橡胶中气体的分子越小、所接触气体的压力越高、所在环境的温度越高、接触时间越长、吸入量越大，则橡胶达到饱和的时间也越短。

RGD效应的形成条件为：①气体压降速率必须快于橡胶内部气体的扩散速率，压降速率越大，对橡胶密封元件的损伤越大；②在一定温度压力条件下，气体进入橡胶内部并达到饱和后，再快速降低气体压力，这个过程称为一次压降循环；经过多次压降循环，会降低橡胶密封件的密封性能，直至密封性完全失效。

2 RGD对试油完井井下工具性能的影响

2.1 对井下工具密封性能的影响

试油完井井下工具的橡胶密封元件在井筒中所处的条件复杂，不仅要承受原油、天然气、二氧化碳、硫化氢和酸碱井液等各种介质的侵蚀，还要承受温度和压力变化带来的影响[14]。橡胶密封元件在RGD效应的影响下可能会发生变形、膨胀、表面产生“气泡”或“气爆”、产生裂纹等现象，导致井下工具的密封性能降低或密封失效。

2.2 对工具操作的影响

通过压力控制的井下工具主要有两种控制方式，一是通过流体形成油套压差或上下压差来驱动工具产生动作，二是通过施加绝对静液柱压力，与空气室的大气压形成压差来驱动工具产生动作，从而实现循环、开关井等功能。

由于一些井下工具的内部有空气室，通过绝对静液柱压力操作的井下工具，更容易出现操作失败的情况。空气室的上、下“O”型密封圈承受的压差是管柱内工具位置的绝对静液柱压力，最高可达210 MPa以上(图3a)。在气井中作业时，空气室最下端的“O”型密封圈会一直接触高压气体，容易产生RGD效应。一旦橡胶密封元件的密封性能降低，高压气体就会渗入空气室，形成圈闭压力(图3b)，造成破裂盘因压差不足而不能被击破，致使工具不能动作，造成工具操作不成功。

图3 空气室密封示意图

2.3 对工具维护保养的影响

通过绝对静液柱压力操作的井下工具，如果产生了RGD效应，高压天然气渗入工具空气室，在工具起出地面后，可能导致工具空气室圈闭高压天然气，在维修保养期间可能产生部件高压冲出损坏的风险；同时，可能发生高压伤人、物体打击等风险。

3 工具操作失败的原因分析

川渝地区LS1井在试油作业期间出现可控封堵阀操作失败的情况，以该井为例进行井下工具操作失败的原因分析。

3.1 空气室渗入高压天然气

LS1井地层温度140.1 ℃，最高井口关井压力为45.9 MPa，测试天然气产量2.12×104m3/d。从图4井下压力温度曲线可以看出，该井是高压低渗井，即关井压力恢复慢、开井压力降低快的井。在操作可控封堵阀前，进行了1次储层改造，改造的最高井底压力是140.7 MPa，之后的6次关井形成的天然气压力缓慢升高和6次开井形成的天然气压力的快速压降，压降值为17.71～106.42 MPa，压降速率为0.53～1.81 MPa/min，压降速率超过1 MPa/min共3次。

在车间拆卸可控封堵阀上未被打破的破裂盘时，有高压气体从破裂盘安装孔喷出，初步判断是下空气室进入了高压天然气并形成了圈闭压力，造成破裂盘无法在设定的操作压力值被击破，导致工具操作失败。在拆解可控封堵阀时，发现工具密封面完好，下空气室的下“O”型密封圈都产生了变形、膨胀变大(图5a)，其中1个“O”型密封圈有穿透性裂纹(图5b)，符合RGD效应对橡胶密封元件造成的损坏。

图4 LS1井井下压力温度曲线图

图5 “O”型密封圈损坏照片

3.2 现场工况提供了产生RGD效应的条件

由于川渝地区作业周边环境人居密度大且天然气井普遍存在含硫化氢的特点，试油完井作业过程中开井放喷通常在白天进行，晚上关井，因此，不可避免存在多次开井和关井的情况。通过对图4分析可以看出，压力曲线呈现出关井压力恢复慢且终值高、开井压力降低快且终值低、开井关井形成压差大的特点。这样的工况提供了产生RGD效应的条件，进一步证实了由RGD效应造成下空气室密封性能降低，高压天然气渗入了下空气室，产生了圈闭压力，造成破裂盘无法在预设的操作压力值被打破，从而导致工具操作失败。

通过上述分析得出：在试油完井过程中，只有符合RGD效应产生的条件的井才会产生RGD效应。高压低渗天然气井更容易形成RGD效应的条件。针对高压低渗天然气井的试油完井作业，在施工作业前必须做好防止RGD效应产生措施和产生后的备用处置方案；在施工过程中，要控制好压降速率，杜绝快速泄压，同时尽量控制开井关井次数，避免形成RGD效应产生的条件。

4 耐RGD效应“O”型密封圈的优选实验

井下工具常用的“O”型密封圈的橡胶材料以丁腈橡胶(NBR)和氟橡胶(FKM、FEPM)为主，全氟橡胶(FFKM)的“O”型密封圈只在超高温下使用。LS1井发生RGD效应的“O”型密封圈材料为氟橡胶(FKM)，为了验证RGD效应和优选耐RGD效应的“O”型密封圈的密封效果，开展物理模拟实验。

4.1 实验条件

选择了规格尺寸相同(内径75.57 mm，截面外径5.33 mm)但材质不同的3种“O”型密封圈进行模拟井下工况的实验，3种材料的“O”型密封圈各选取1个组成一组放在一起进行实验(表1)。选择工业天然气作为实验介质。为模拟井下工况，设定实验温度为140 ℃，实验压力为25 MPa。由于压降速率越大，对橡胶密封元件损害越大，因此设定实验压降速率为2 MPa/min，实验开始加压并保持压力的时间为10 h，压降循环次数为7次。

表1 “O”型密封圈实验组合

4.2 实验过程

将第1组3个不同材料的“O”型密封圈装入实验装置，并进行密封(图6)。用实验气体吹扫实验装置内部直到空气清除干净，对实验装置内注入4 MPa的实验气体并加热至140 ℃。注入实验气体至设定压力值(25 MPa±0.5 MPa)，在设定压力和温度条件下保持10 h，再按2 MPa/min的降压速率泄压至0。1 h后重复压力循环操作，共7次，其中第1次恒定压力和温度持续48 h。在第7次循环操作后期，降低实验装置的温度至室温。此后依次开展第2组和第3组实验。

图6 电热恒温箱内的实验装置照片

4.3 实验结果

整体外观对比：1#试件体积变化最大，体积增加约为原件的1倍；2#试件体积增加约为原件的0.3倍；3#试件未发生体积变化(图7)。试件表面现象对比：1#试件出现明显“气爆”现象，表面出现多处坑洞；2#试件出现“气泡”现象，表面出现多处鼓包；3#试件表面几乎无变化(图8)。

图7 3种“O”型密封圈外观对比图

图8 3种“O”型密封圈表面现象对比图

通过实验分析得出：1#、2#试件均受RGD效应影响，体积与表面出现明显变化，耐RGD效应性能差；3#试件外观与表面无明显变化，耐RGD效应性能较优。优选全氟橡胶FFKM(Perfrez)的“O”型密封圈作为可控封堵阀空气室的上、下“O”型密封圈。

5 现场应用效果

优选的耐RGD效应FFKM(Perfrez)“O”形密封圈在4口采用试油完井一体化工艺技术的井进行现场应用(表2)，其中ZJ2井和GS128井为高压低渗天然气井，ZJ2井的最高井口关井压力为75.5 MPa，测试产能只有5.2×104m3/d；PT106井测试气产量最高达85.1×104m3/d。4口井的可控封堵阀均在设定的操作压力值击破破裂盘实现可控封堵阀的成功关井封堵，证明优选的耐RGD效应“O”型密封圈在气井试油完井作业中耐RGD效应的优异性能。

表2 FFKM(Perfrez)“O”型密封圈应用井统计表

6 结论及建议

(1)高压低渗天然气井在试油完井作业中易形成RGD效应产生的条件，致使空气室产生圈闭压力，从而造成井下工具操作失败。通过模拟实验验证了常用“O”型密封圈在反复升压和快速泄压工况下极易发生RGD效应引起变形甚至损坏。

(2)通过模拟实验优选出耐RGD效应的“O”型密封圈，现场试验进一步验证了优选的“O”型密封圈具有较好的耐RGD效应性能，解决了静液柱压力操作井下工具易受RGD效应影响的困扰。

(3)由于空气室的上、下“O”型密封圈要承受绝对静液柱压力，工作条件苛刻，建议对空气室的密封结构进行优化设计，减小空气室上、下“O”型密封圈承受的密封压差，以提高空气室密封的可靠性，保证试油完井作业安全可控。