管内自膨胀封隔器的研制与应用

郑金中，杨万有，程心平，沈 琼，邹明华，王 瑶

（中海油能源发展工程技术分公司，天津300457）①

管内自膨胀封隔器的研制与应用

郑金中，杨万有，程心平，沈 琼，邹明华，王 瑶

（中海油能源发展工程技术分公司，天津300457）①

目前，自膨胀封隔器的应用领域仅限于钻完井中。为了满足油田生产工艺的特殊需求，开发了适合于套管内使用的管内自膨胀封隔器。针对常规管内封隔器的技术特点及设计要求，优化了自膨胀橡胶材料的性能参数，并设计了2种不同结构的封隔器以及测试井专用过缆封隔器，以满足不同的生产需求。通过室内模拟试验，对管内自膨胀封隔器的坐封、承压和解封性能进行测试，并成功应用于油管堵漏作业中。可用于防砂管内分层采油与分层测试的自膨胀封隔器也即将应用于现场。

封隔器；遇水／油膨胀；结构

自膨胀封隔器作为一种新型自封封隔器，它以遇油或者遇水膨胀橡胶作密封材料，通过与井眼内液体接触发生体积膨胀，实现充填并密封环空［1］。

自膨胀封隔器在国外完井领域的应用已有10 a时间［2］。国内在自膨胀封隔器的研究方面起步较晚，近几年随着水平井裸眼完井技术的发展，推动了自膨胀封隔器的快速发展，部分产品在水平井分段完井、裸眼筛管完井等领域成功应用［3］。自膨胀封隔器的结构简单、应用灵活和性能可靠，解决了水平井完井方面的诸多问题［4］。在油水井生产管柱中，同样可以替代部分常规封隔器，完成其他工具不可能完成的任务。

笔者针对管内分层封隔器的特点进行研究，重点解决3个问题：

1） 尺寸问题 常规完井用自膨胀封隔器尺寸均较大，通过加厚、加长橡胶材料来保证密封效果。但在油套管、防砂完井管柱内，封隔器的外径、长度均受到限制。为了保证较好的下入通过性能，密封段不易超过1 m。

2） 结构问题 为了保证胶筒的承压及解封性能，防止胶筒肩部突起，影响密封与解封，胶筒肩部需要进行保护。

3） 解封问题 生产用管内封隔器需要回收，设计时需要考虑坐封后易于解封。

1 自膨胀橡胶材料的性能优化

针对套管内封隔器的使用要求，需要提高橡胶材料的单位长度密封强度，优化高温老化性能。对橡胶材料开展以下性能试验：膨胀性能试验，膨胀后强度试验，不同温度下膨胀性能试验，耐酸碱、耐腐蚀性试验，高矿化度试验，老化性能检验。优化后遇水膨胀橡胶材料的关键性能指标如表1，符合管内长期使用的要求。

表1 遇水膨胀橡胶材料性能指标

2 自膨胀封隔器的设计

2.1 结构设计

2.1.1 套装式结构

套装式结构的自膨胀胶筒为独立模压成型，同普通封隔器胶筒一样，可标准化批量生产。图1为1种用于油套管内堵漏的自膨胀封隔器结构，主要由上下连接头、自膨胀胶筒组件构成，结构简单。为增强密封效果，设计双胶筒结构，肩部45°护环防止肩突，提高承压能力。

图1 套装式自膨胀封隔器结构

2.1.2 一体式结构

一体式结构的自膨胀胶筒与封隔器中心管硫化成一体，封隔器的制造只能依据硫化后的组合件结构来设计加工。图2为1种用于套管完井或防砂完井层间隔离的自膨胀封隔器，主要由上下连接头、护环及密封组件构成，其关键技术是密封件的设计，通过高温高压硫化工艺，将橡胶材料与钢管硫化成一体，增强了封隔器的承压能力。为防止高压下肩部破坏，加长设计了胶筒肩部护罩，延长其胶筒使用寿命。

图3为1种过电缆型自膨胀封隔器，在一体式结构的基础上，通过侧切胶筒、2端安装电缆压帽等方式，实现井下测试电缆的整体无损穿越。

图2 一体式自膨胀封隔器结构

图3 过电缆自膨胀封隔器

2.2 主要技术参数

1） 套装式自膨胀封隔器 胶筒总长160 m m，耐温150℃，耐压差10 M Pa，完全坐封时间为5 d（可调）。

2） 一体式自膨胀封隔器 胶筒总长500 m m，耐温150℃，耐压差20 M Pa，完全坐封时间为10 d（可调）。

2.3 性能特点

1） 自膨胀封隔器结构简单，性能可靠，适用于多种井下管柱，不影响其他工艺的实施。

2） 机械结构简单，外形尺寸小，特别适合小井眼作业。

3） 利用自膨胀材料的自修复能力，可以实现电缆的无损穿越。

4） 2种设计结构适用于不同的工况：套装式结构的加工成本较低，适合批量生产，但是耐压等级不高；一体式结构的加工成本较高，可适用于高压差、需要长期密封的井况。

3 室内试验

油套管内封隔器不同于裸眼井封隔器，要求具有尺寸小且易解封。因此，针对使用环境特点与要求，采用图4所示试验方法，进行了套管内耐压与解封性能试验。

图4 封隔器试验示意

内耐压试验：自膨胀封隔器置于试验工装中加清水浸泡10 d，开泵试压，逐步升压、稳压，观察泵压与出液孔，并记录试验数据，最高压力达到23 M Pa，压力稳定，出口未见渗漏，满足20 M Pa的设计指标。

解封性能试验：利用试压泵一端加压，另一端拆除支撑，试压泵瞬间最高压力1.5 M Pa，折合最大解封力17 k N。封隔器解封启动后，泵压小于0.5 M Pa，摩擦力小于5 k N。

4 应用情况

4.1 防砂管内分层采油注水工艺

用于代替常规插入密封分层方式，能适用于防砂管柱密封光筒损坏或没有密封光筒的井筒，依靠膨胀材料的自修复能力，实现在破损密封筒内的分层。封隔器具体设计结构可参照图1～2的结构，并根据现场需求设计。

4.2 水平井管内分层测试工艺［5］

自膨胀封隔器通过设计侧面电缆槽，实现测试缆的无损穿越，同时利用自膨胀材料自修复能力，封隔器坐封后电缆槽自动填实，再次形成密封。如图3所示，该种封隔器宜采用一体式结构设计，开槽后工作压差最高可达15 M Pa。

4.3 油管穿孔后堵漏工艺

生产管柱油管发生腐蚀穿孔后，利用一组小直径的自膨胀封隔器（考虑到压差等级），采用图1套装式结构，卡在漏点上下，遇水后膨胀形成堵漏效果。图5为渤海地区某油田电泵生产井，由于井口以下130 m发生油管穿孔，油压下降，套压上升。通过电缆下入，仪器找出漏点，然后利用吊车作业下入小油管，底部带两支遇水膨胀封隔器，悬挂于生产油管顶部。5 d后，漏点完全封住，油井恢复正常生产，液量60 m3／d，油压3.8 M Pa，套压0.8 M Pa。施工过程未动用修井机、泵车及其他大型设备，仅通过吊车施工6 h完成，节省了大量的修井成本。

图5 堵漏管柱示意

5 结论

1） 通过室内试验及现场应用表明，自膨胀封隔器能够广泛应用于油套管内，代替常规封隔器实现各种特殊作业。

2） 自膨胀封隔器可实现电缆的无损穿越，可作为智能完井分层工具。

3） 管内自膨胀封隔器的耐温耐压性能可进一步得到提升，从而扩大其应用领域，发挥其技术优势。

［1］ 杨德锴，杜鹏德.自膨胀封隔器封压性能技术分析［J］.石油矿场机械，2013，42（2）：59-62.

［2］ 沈泽俊，童征.遇水自膨胀封隔器研制及在水平井中的应用［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：38-41.

［3］ 许国林，李博.ø140型裸眼分段压裂套管外封隔器的研制［J］.石油机械，2011，39（7）：54-55.

［4］ 沈泽俊，高向前.遇油自膨胀封隔器的研究与应用［J］.石油机械，2010，38（1）：39-43.

［5］ 张国文，沈泽俊，童征，等.遇油＼遇水自膨胀封隔器在水平井完井中应用［J］.石油矿场机械，2012，41（2）：41-44.

Develop ment and Application of Casing Swellable Packer

Z H E N G Jin-zhong，Y A N GW an-you，C H E N G Xin-ping，S H E N Qiong，Z O UMin-hua，W A N G Yao
（C N O O C EnerTec-Drilling&Production Co．，Tianjin300457，China）

At present，the applying field of swellable packer is limited to drilling and co m pletion.In order to meet the special needs of oil production technology a kind of swellable packer for casing and tubing inner was developed.In accordance with the technicalfeatures of the conventional casing packer and design requirements，the performance para meters of rubber materials，and tw o different structures of packer were designed and cable packer of zonal testing was optimized to meet different production requirements.By a large nu m ber of sim ulation experiment，the casing swellable packer setting，the co m prehensive test has been carried on for pressure-bearing and releasing，and successfully applied to the tubing plugging operation.At the same time，the swellable packer used for zonal production and zonal testing in sand control string will be appl ied in the field.

packer；water／oil swell；structure

T E931.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.018

1001-3482（2014）08-0082-03

2014-02-07

中国海洋石油总公司科技攻关项目“海上低渗油田水平井分段压裂管柱设计关键工具研制”（FCJF2011-03）

郑金中（1977-），男，湖北黄冈人，高级工程师，主要从事海上采油工艺及井下工具的研究，E-mail：1085280041＠qq.co m.