擴(kuò)張式封隔器膠筒的研究現(xiàn)狀綜述

馬力

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西 西安 710065）

擴(kuò)張式封隔器膠筒的研究現(xiàn)狀綜述

馬力

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西 西安 710065）

石油工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了石油機(jī)械裝備的發(fā)展，在鉆井或完井后對(duì)油氣層進(jìn)行測(cè)試時(shí)，為了獲得動(dòng)態(tài)條件下地層和液體的參數(shù),封隔器作為主要的井下工具被大量的運(yùn)用到測(cè)試中。而使其安全有效的工作是保證油氣井作業(yè)的關(guān)鍵，其工作性能的好壞直接影響著油田的生產(chǎn)成本和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。已有大量學(xué)者采用有限元方法對(duì)封隔器膠筒的力學(xué)性能做了研究，為封隔器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、坐封方式、膠筒材料的選擇等提供了理論和建議。所謂“封隔器”，指的是具有彈性密封元件，并借此封隔與套管間的環(huán)形空間，實(shí)現(xiàn)各種作業(yè)的堵封要求，以控制產(chǎn)業(yè)柱的井下工具。

擴(kuò)張式封隔器；膠筒；研究現(xiàn)狀

前言

封隔器作為一個(gè)關(guān)鍵井下工具廣泛應(yīng)用于油氣井作業(yè)過程中，但目前國(guó)產(chǎn)封隔器的性能還存在以下一些問題：封隔器承壓能力低，坐封復(fù)雜，密封性能差，膠筒不耐高溫，使用壽命短，維護(hù)投資過大。擴(kuò)張式封隔器，其特點(diǎn)為懸掛式固定，液壓坐封，液壓解封，靠膠筒向外擴(kuò)張來封隔油和套管的環(huán)形空間。其工作原理是中心管憋壓，當(dāng)壓力到達(dá)一定值后，在液壓的作用下活塞上行，剪斷坐封啟動(dòng)銷釘。進(jìn)入鎖簧入鎖后，坐封進(jìn)液通道被開啟，液體進(jìn)入擴(kuò)張式膠筒與中心管的密封空間內(nèi)使膠筒膨脹坐封。中心管卸壓后，膠筒在自身的彈力的作用下回收，完成解封。封隔器坐封后所能承受的壓差和溫度關(guān)鍵取決于膠筒材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其肩部保護(hù)機(jī)構(gòu)。膠筒壓裂、扯斷、掉落、肩部損毀是造成封隔器密封失效的很大一部分原因，尤其在高溫、高壓井中，封隔器工作環(huán)境惡劣，受力復(fù)雜，膠筒很容易失效。

1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)油氣田開發(fā)不斷向深井超深井方向發(fā)展，油井產(chǎn)層分布越來越復(fù)雜，這樣使得石油開采條件日漸復(fù)雜，以致鉆采和生產(chǎn)工藝不斷向耐高溫耐高壓方向發(fā)展，對(duì)封隔器性能提出了更高的要求，這也給國(guó)內(nèi)研究工作者對(duì)以后封隔器的研發(fā)指定了新的方向，即在結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，密封材料具有更好的彈性；在性能方面更優(yōu)良，針對(duì)各種復(fù)雜的井下工況，使用更廣泛，工作壽命得到更大的提高。目前國(guó)內(nèi)工作人員針對(duì)封隔器的研究工作主要集中在封隔器數(shù)值模擬和參數(shù)計(jì)算（包括封隔器系統(tǒng)受力分析、密封膠筒元件在井下工作時(shí)的性能分析）等幾個(gè)方面。而針對(duì)封隔器膠筒有這些方面的研究：

1994年，Rivin E I，Lee B S兩人對(duì)受壓橡膠元件的應(yīng)力-應(yīng)變以及蠕變特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[1]，并推導(dǎo)出橡膠硬度與彈性模量關(guān)系式。1996年兩人在94年研究的基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠元件做了有限元分析。

2008年張峻，陰川生等針對(duì)K344封隔器密封壓差低，抗蠕動(dòng)性能差等問題，建立了分離式雙膠筒和加鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2]。他的優(yōu)化思路為：封隔器坐封時(shí)，2個(gè)膠筒向外膨脹，當(dāng)膠筒接觸到套管時(shí)，在兩個(gè)膠筒間形成一個(gè)密閉區(qū)，坐封壓力上升。封隔器坐封后，2個(gè)膠筒之間的壓力始終保持最高坐封時(shí)產(chǎn)生的壓力，當(dāng)注水壓差較大時(shí)，由于2個(gè)膠筒間形成高壓密閉區(qū)，可保證其中一級(jí)膠筒兩端為低壓狀態(tài)，有效提高了封隔器的密封壓差。

2010年，王治國(guó)，王在強(qiáng)等為滿足水平井多段分層壓裂的有效封隔及特殊井作業(yè)的需要，對(duì)K344封隔器的膠筒結(jié)構(gòu)、安裝方式及膠筒座肩部等進(jìn)行了改進(jìn)[3]。文章將膠筒肩部夾角增大，縮小肩部空隙，以減小應(yīng)力集中；改變了膠筒兩端固定方式，采用一端固定另一端浮動(dòng)密封，降低了啟動(dòng)坐封壓力，減小了膠筒擴(kuò)張后的應(yīng)力，提高了膠筒性能。

2014年，程心平用ABAQUS軟件對(duì)擴(kuò)張式封隔器膠筒進(jìn)行了力學(xué)行為分析，并對(duì)封隔器膠筒進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[4]。其結(jié)果表明，隨著溫度的升高，橡膠材料的強(qiáng)度會(huì)變?nèi)?。?dāng)封隔器處于工作狀態(tài)時(shí)，膠筒肩部變形最大，伴隨著壓力的增加，變形的趨勢(shì)減緩，應(yīng)變能密度函數(shù)與工作壓力基本呈直線關(guān)系。

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)學(xué)者對(duì)擴(kuò)張式封隔器膠筒進(jìn)行的研究主要包括質(zhì)量問題、強(qiáng)度和密封性能這些方面。

其中質(zhì)量問題和強(qiáng)度都與材料的選擇和補(bǔ)強(qiáng)有關(guān)系。封隔器的材質(zhì)選擇一般要考慮這幾點(diǎn)因素：一是膠筒的性能要求，包括強(qiáng)度、硬度、韌性、彈性、耐磨性能等；二是膠筒的防腐性能要求；三是選用材料的熱處理行能、可加工性能；四是選用材料的來源和價(jià)格。封隔器對(duì)金屬材料的要求主要決定于井下環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能要求。在國(guó)內(nèi)，可取式封隔器剛體常用的金屬材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素鋼45、合金鋼結(jié)構(gòu)35CrMo、彈簧鋼60Si2Mn等。而密封材料通常為合成橡膠，常用的橡膠材料有氯丁膠、丁腈橡膠和氟橡膠。在補(bǔ)強(qiáng)這一塊，往往是對(duì)膠筒進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，一般會(huì)在膠筒中加入其他材料如尼龍簾線、聚酯簾線、鋼絲簾線和疊加鋼片等，然后用大型有限元軟件對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。目前對(duì)補(bǔ)強(qiáng)這一塊雖有了一些嘗試，但依然有許多的問題存在，面對(duì)復(fù)雜的井下工礦，仍然不能完全滿足需求，那么對(duì)膠筒進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)是值得探索的一個(gè)重點(diǎn)。

而對(duì)于封隔器密封性能方面，除了與材料有關(guān)系還與封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)系，一般會(huì)考慮膠筒的厚度、高度、肩部?jī)A斜角對(duì)密封性能的影響，往往會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)較優(yōu)的尺寸，來使得在坐封力足夠小的情況下同時(shí)使膠筒與套管接觸應(yīng)力足夠大?，F(xiàn)階段在尺寸優(yōu)化方面，依然還有很多值得改進(jìn)的地方。

2.封隔器膠筒常見問題及解決方法

封隔器常見問題可歸納為：①隨著井下工作時(shí)間的延長(zhǎng)，封隔器密封件不斷老化損壞，造成封隔器不密封；②套管彎曲變形、腐蝕，造成封隔器不密封；③封隔器的卡封位置不準(zhǔn)確；④封隔器最后無法解封[5]。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明封隔器失效的誘因?yàn)椋孩儆捎诠苤饎?dòng)的影響，導(dǎo)致卡瓦位置滑動(dòng)，封隔器膠筒失效，生產(chǎn)中則表現(xiàn)為油井工作一段時(shí)間后含水上升。②經(jīng)多次作業(yè)坐封，套管易受到損傷，卡封使局部套管內(nèi)徑變大，形狀不規(guī)則，當(dāng)封隔器膠皮脹開后膠皮與套管之間存在間隙，不能有效地封堵油套環(huán)空。

針對(duì)膠筒失效給出的防治措施包括:優(yōu)化封隔器膠筒尺寸，使用耐溫、耐壓、抗剪切性能好的橡膠材料，并且采用特殊的防凸保護(hù)和肩部保護(hù)裝置等?？梢园l(fā)現(xiàn)，在封隔器使用中出現(xiàn)的問題并不只是封隔器自身可靠性的原因，封隔器作為連串作業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，很大程度上受到其他錨定、支撐組件和油套管的影響。實(shí)際應(yīng)用中不應(yīng)該過分強(qiáng)調(diào)封隔器自身組件的可靠性，而擱置其他條件。

3.結(jié)論與展望

封隔器作為重要工具，本身價(jià)值不高，但和其他工具的組合價(jià)值高，且對(duì)施工至關(guān)重要，油田各生產(chǎn)單位應(yīng)予以充分重視。應(yīng)在以下方面予以加強(qiáng)：

(1)加強(qiáng)封隔器膠筒尺寸和材料方面的研究。

(2)把封隔器設(shè)計(jì)工作精細(xì)化， 應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和制造技術(shù)，把對(duì)封隔器單一部件的關(guān)注轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)部件的配合使用效果上。

(3)目前封隔器的使用數(shù)據(jù)太分散， 而小改過于頻繁，應(yīng)加大原理性的研究。

[1] Lee B S，Rivin E I. Finite Element Analysis of Load-Deflection and Characteristics of Compressed Rubber Components for Vibration Control Devices [J].Journal of Mechanical Design,1996， 118(9):328-335.

[2]張峻，陰川生等.K344型注水封隔器封層性能優(yōu)化研究[J].石油機(jī)械，2008，36（7）：63-65.

[3]王治國(guó)，王在強(qiáng)等.K344-108型小直徑封隔器的改進(jìn)與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2010，38（8）：40-42.

[4]程心平.擴(kuò)張式封隔器膠筒力學(xué)性能分析[J].石油機(jī)械，2014，42（6）:72-76.

[5]范青，陳永紅.衛(wèi)瑋.膠筒損壞失效分析[J].油氣井測(cè)試，2014，10：23-28.

TP205

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1009-5624（2016）05-0006-02