浅谈高温高压井下封隔器发展现状

卢秋羽，李俊亮，许永权，宫磊磊，姚金剑，任保晶

(1.大庆油田有限责任公司采油工程研究院；2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室，黑龙江 大庆 163311)

1 传统封隔器面临的问题与挑战

随着人们对石油和天然气的需求日益增长，油气行业得到了快速发展，勘探目的层由中浅层向深层和超深层延伸，深层将成为油田行业重要的发展领域之一。21世纪以来，在深层勘探方面有了一些突破性进展，在塔里木、四川、鄂尔多斯和松辽盆地都发现了碳酸盐岩大油气区，东部地区和西部地区分别在4500m 和6000m 以深取得了突破进展，深度整体下延1500～2000m，由此可知，深部油气资源已经成为国内油气勘探重点接替领域。近年来，四川盆地研究重点放在了深层油气资源上，在川中寒武系、震旦系等地层成功开采后，继续向储层更深、更加复杂的川西二叠统、川东震旦系等地层延伸，深度可高达8000m，地层压力高达147Mpa，地层温度超过200℃，且部分地层中含有H2S，这些深部储层的复杂条件对井下设备、工具、材料等提出更高的要求。在高温、高压、高含硫的条件下，井下工具、设备等都需要提升性能以达到更高的要求。

传统封隔器难以满足高温、高压、高含硫条件下的生产要求。主要原因在于橡胶密封原件在酸性环境中易被腐蚀，在高温、高压条件下易受损，所以不能满足密封要求；卡瓦在载荷压力较大的情况下易被破坏，影响锚定功能，不能满足承载能力要求；传统封隔器结构复杂，下井耗时长且坐封成本高，不能满足经济省时的要求。发现与超深井相匹配的封隔器严重空缺，因此有必要总结目前封隔器技术及产品，进一步开发新的结构与材料，以适应深部油气资源开发条件，为超深井开发提供有力支持。

2 封隔器发展现状

随着油气田开发不断向深井和超深井发展，油气井产层分布越来越复杂，对封隔器耐温耐压等方面的技术提出了新的挑战，使得封隔器的研发方向更加专业化和多样化，国内外先后在结构和材料2 个方面改进封隔器的设计，使封隔器在性能方面更加优良，用途更加广泛。

K344 是一种典型的传统封隔器，靠胶筒向外扩张来封隔油、套管环形空间。但其存在承压性能低、施工规模受限等问题，当温度大于150℃时，在反复坐封、解封过程中容易出现胶筒密封不严的情况。针对以上问题，程智远等设计了一种可控封隔器，通过投球实现针对性的启动对应层位封隔器，提高了胶筒的密封性和使用寿命。韩永亮设计了一种K344 型可溶辅助解封压裂封隔器，采用辅助承压/解封机构和胶筒一体化中心管结构，通过室内试验及现场应用证实了该结构有效提高了工具的耐温、承压性能。王瑞等提出了一种新型波纹状钢骨架封隔器，可以有效地降低封隔器胶筒中部应力，结构如图1 所示，并对钢骨架厚度及材料方面进行了结构优化，使得综合坐封效果更好，同时能减少高含硫气体的泄漏。

图1 K344 波纹状钢骨架封隔器结构

卡瓦作为封隔器的关键部件，在坐封过程中起着固定支架的作用，确保封隔器长期稳定密封。针对坐封后套管压力对卡瓦造成的损坏问题，TANG Yang 等人建立了有限元分析模型，分析3 种参数下滑动齿的承压规律，得出随着卡瓦数、齿距、齿顶角的增加，卡瓦应变减小，卡瓦弯矩增大的规律。针对卡瓦在长期锚定套管壁时，过大的嵌入深度可能会导致套管损坏、失效，使套管壁遭到破坏的问题，徐建宁等人模仿蝾螈足垫和树蛙脚掌的密排六棱柱形状设计了一款仿生六棱柱齿状卡瓦，采用有限元数值模拟对该卡瓦牙型结构参数进行优化，优化后结构比常规结构牙痕深度减小了44.12%～47.10%，套管内表面产生的应力减小了14.61%～15.25%，证明仿生六棱柱齿状卡瓦的稳定性要优于常规齿状卡瓦。

DONG Liangliang 等人研究了温度载荷对封隔器橡胶密封性能和强度性能的影响,分析了高温条件下胶管-套管间隙、相邻胶管接触面倾角和初始载荷等关键参数对封隔器密封性能的影响，结果表明在高温下，间隙越大，封隔器密封性能越差；倾角为12°～24°时，密封性能较好；建议封隔器胶管安全密封的初始设定极限载荷为68～76kN，该研究对封隔器胶管结构的设计及其对高温条件的适应性具有重要意义。刘阳针对塔北深层碳酸盐岩区块超深、高温和高压的特点，设计了一种耐高温酸压完井裸眼封隔器，结构如图2 所示，改善了目前耐温160℃、承压50 MPa 的裸眼封隔器在使用过程中存在因钢骨架变形大无法坐封和高温老化失封的问题，该完井封隔器利用高拉伸率氟橡胶（FKM）制作胶筒，可以将使用温度提高到180℃，设置锚定机构和进液保护机构可以降低失效风险，该耐高温酸压完井裸眼封隔器可以满足完井-酸压-求产一体化工艺需求。

图2 耐高温裸眼封隔器结构

传统封隔器以橡胶为密封元件，但橡胶耐高温、耐高压、耐磨蚀性能差，并不适合深部油气田开发的环境。而金属材料在深层环境下具有较强的优势，形状记忆合金是一种特殊合金材料，NiTi 合金具超弹性，此合金具有很好的抗腐蚀性和较长的使用寿命，金属间的过盈密封方式增加了内通径，是作为封隔器密封元件材料的理想选择。安少云等人利用NiTi 形状记忆合金制造井下封隔器密封件，并进行了NiTi 合金密封件的性能实验，结果证明NiTi 合金密封件承压能力高，密封效果良好，可以代替传统的橡胶密封。仇炜谏以QSA-114 封隔器为基础，结合油田现场环境，设计了一种新型超弹性金属密封桥塞及其电动坐封工具，结构如图3 所示，通过有限元分析验证了NiTi 合金材料的密封性能。张同善基于QSA-114 封隔器的工作原理，结合密封元件的密封机理与功能特点，设计了一种新型的封隔器金属密封元件，经过有限元分析发现，密封元件在坐封后的最大应力为低于材料的屈服极限，接触应力大于镀层金属屈服极限的5 倍，可实现无泄漏密封，且可耐腐蚀，所以设计的新型金属密封元件能提供可靠的密封。

图3 新型电动桥塞坐封工具总结构图

3 结语

随着油气行业的快速发展，深部油气资源已经成为重点研究对象，而深层环境更加复杂，具有高温、高压、高含硫的特点。通过调研国内外封隔器发展现状，发现传统封隔器已不适合深部储层的复杂环境，由于橡胶密封原件只适用于低温和低压的环境，并且在酸性液体中容易老化，影响封隔器的使用性能和寿命。虽有一些学者对封隔器结构和橡胶材料进行优化，但仍难以达到所需的应用要求。而NiTi 形状记忆合金由于具有优良的形状记忆效应、良好的机械性能和耐腐蚀性，适应深部储层复杂恶劣的赋存环境，具有经历较大应变后自动恢复初始形状及应变的能力，将形状记忆合金应用于封隔器研发可有效解决密封难题。可以进一步研究设计新型全金属封隔器，并开展全金属封隔器产品性能实验设计，从而有助于封隔器在深部储层复杂情况下的开发研究。