遇水膨胀封隔器关键技术研究

马兰荣， 王德国， 韩 峰， 刘 阳

(1.中国石油大学(北京)机械和储运工程学院，北京 102249；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

水平井裸眼封隔分段压裂技术作为低渗透油气藏和页岩气开发的有效手段之一，得到越来越多的应用。裸眼封隔器是分段压裂的关键工具，其可靠性直接决定着分段压裂的最终效果。由于水平井井下情况复杂，井下的压力和温度高，常规封隔器在入井过程中容易碰伤胶筒，影响其密封能力。另外，由于裸眼段井径变化比较大，常规封隔器胶筒较短，在井径扩大率较大、井眼不规则的井中封隔效果不理想，从而影响压裂施工的效果。遇水膨胀封隔器采用特种橡胶制成，通过吸收井内的地层水或完井液发生体积膨胀，进而实现封隔[1]。与常规封隔器相比，遇水膨胀封隔器无需进行地面操作即可实现封隔器坐封，可大大提高其可靠性，节省施工时间。由于遇水膨胀橡胶材料具有自我修复功能，即使胶筒碰伤，也不会影响密封效果。此外，由于胶筒膨胀率高，尤其适用于不规则井眼及井径扩大率较大的井眼。

1 设计要求

1) 为了保证遇水膨胀封隔器能够适应井下各种条件下的封隔要求，封隔器胶筒的膨胀率应达到3倍以上。同时，在膨胀后应具有足够的强度和硬度，如果应用于压裂作业，在膨胀后应具备70 MPa的封隔能力。

2) 遇水膨胀封隔器应适应现场的液体环境，不仅能在清水中顺利膨胀，还应在具有一定矿化度的盐溶液中膨胀。

3) 遇水膨胀封隔器的胶筒应具备耐高温的能力。

4) 封隔器在入井过程中膨胀速率要小，不能增大管串的下入摩阻。

5) 封隔器在膨胀后应保持密封的持久性。

2 遇水膨胀橡胶配方设计

在树脂中加入环己烷、分散剂、交联剂、引发剂及各种单体，按比例混合，采用反向悬浮共聚法合成聚丙烯酸钠高吸水聚合物，再选用氧化-还原性引发剂，采用互穿网络技术对聚丙烯酸钠高吸水聚合物进行合成改性，即可制得所需的吸水聚合物。

橡胶D1是一种极性橡胶，具有良好的耐油性、耐磨性和耐酸碱性能，且与吸水聚合物的相容性较好，因此选择橡胶D1为基体原料，添加吸水聚合物、炭黑等补强材料，采用物理机械共混法制备混炼胶，再经硫化成型制得遇水膨胀橡胶(WSR)。

2.1 吸水聚合物(SAR)加量的优选

采用橡胶D1、吸水聚合物及各种添加剂设计了多种遇水膨胀橡胶配方，制备了多个橡胶试样进行了吸水性能试验，结果如图1所示。

图1 吸水聚合物不同加量试样的吸水质量变化率曲线Fig.1 Mass variation curve of samples with different contents of water absorbing polymer

由图1可看出，在吸水聚合物加量为70%时，遇水膨胀橡胶的吸水性能最好，当吸水聚合物加量超过70%以后，橡胶的质量变化率(经试验验证，遇水膨胀橡胶的质量变化率与体积膨胀率正相关，为了试验时方便测量，用质量变化率表征遇水膨胀橡胶的膨胀性能)明显降低。由图1也可看出，随着橡胶中吸水聚合物加量的增大，其质量变化率下降幅度也逐渐增大，故遇水膨胀橡胶中的吸水聚合物加量确定为70%。

2.2 补强剂加量的优选

补强剂是橡胶合成中改变橡胶性能的重要成分，其主要作用是提高橡胶的强度。其不同的配比可对橡胶强度和膨胀性能起到较大的影响。选择11组不同配比的补强剂A/C组分制得遇水膨胀橡胶试样，并对其进行力学性能和遇水膨胀性能进行评价，结果见表1和图2。

表1补强剂A和C不同加量遇水膨胀橡胶试样的力学性能

Table1Mechanicalpropertiesofwater-swellablerubbersampleswithdifferentreinforcing-agentA/C

补强剂A和C加量,%抗拉强度/MPa拉断伸长率,%补强剂A和C加量,%抗拉强度/MPa拉断伸长率,%10/305.01 012.920/506.1546.110/406.9945.330/306.8681.310/507.1713.030/408.3499.910/609.6613.840/408.5451.120/306.2795.550/409.5272.220/407.6453.2

图2 补强剂不同加量遇水膨胀橡胶试样的吸水质量变化率曲线Fig.2 Mass variation curve of water-swellable rubber sample with different contents of reinforcing-agent

由图2可看出，遇水膨胀橡胶的质量变化率随补强剂A加量的增大而减小，随补强剂C加量的增大而增大。从表1可以看出，补强剂A和C的加量为10%和60%时，遇水膨胀橡胶的强度最大，可达9.6 MPa，在水中的质量变化率为300%；当补强剂A和C的加量为20%和40%时，遇水膨胀橡胶的质量变化率最大，强度也可达到7.6 MPa，此时，橡胶的综合性能较好。综合考虑橡胶的吸水性能及强度，将补强剂A和C的加量确定为20%和40%。

3 影响WSR膨胀性能的因素

3.1 温度

环境温度对于遇水膨胀橡胶的膨胀性能的影响很大[2-3]。在高温下，橡胶分子运动加快，对吸水树脂的束缚力降低，导致吸水膨胀率增大；当温度升高到一定程度，由于外界提供的能量增大，吸水树脂与水分子形成的氢键被削弱，链间疏水作用增强，水分被释放出来从而影响最终平衡膨胀率。不同温度下遇水膨胀橡胶吸水后的质量变化率测试结果见图3。

由图3可看出：随着温度的升高，质量变化率曲线的斜率在增大，遇水膨胀橡胶达到膨胀平衡所需时间缩短，这意味着遇水膨胀橡胶的吸水速度在提高；当温度低于120 ℃时，随着温度的升高，遇水膨胀橡胶的平衡吸水膨胀率增大；当温度高于120 ℃时，其平衡吸水膨胀率随着温度的升高反而降低。这是因为高温会影响吸水树脂和橡胶的结合作用力，随着温度的升高，水的流失率也在增大，导致遇水膨胀橡胶的最终平衡膨胀率降低。

图3 不同温度下遇水膨胀橡胶质量变化率与时间的曲线Fig.3 Water absorbing of water-swellable rubber vs.time at different temperatures

3.2 盐溶液

在不同种类的盐溶液中，遇水膨胀橡胶的吸水速度及膨胀率存在较大差异，选择了4种不同种类阳离子的盐溶液进行遇水膨胀橡胶的吸水性能试验，结果见表2。

表2不同种类阳离子溶液对遇水膨胀橡胶吸水性能的影响

Table2Influenceonwaterabsorbingperformanceofwater-swellablerubberbydifferentcationsolutions

盐溶液质量分数,%平衡吸水率,%质量流失率,%KCl0.92633.9NaCl0.92343.8MgCl20.9481.2CaCl20.9371.1

从表2可以看出，盐溶液的离子强度越高，遇水膨胀橡胶的吸水率越低，吸水速度越慢。这是因为外部阳离子的同离子效应，使遇水膨胀橡胶中吸水聚合物的吸水渗透压降低导致吸水率降低，盐溶液的浓度越高，离子强度越大，这种影响越大，水分子在遇水膨胀橡胶中传递越难，膨胀率降得越低。同时，由于二价阳离子的交联作用，提高了交联密度，使遇水膨胀橡胶在二价阳离子溶液中的膨胀率更低。

4 遇水膨胀封隔器的封隔性能

4.1 膨胀封隔机理

由遇水膨胀橡胶制成的遇水膨胀封隔器胶筒长时间浸泡于环境液体中，会吸水膨胀，开始封隔器胶筒处于自由膨胀阶段，当胶筒膨胀至接触井壁时，封隔器的膨胀空间受到限制，继续膨胀挤压井壁产生接触应力，从而具备了密封环空的能力，吸水膨胀率越高，产生的接触应力越大，封隔能力越强[4]。当封隔器的封压能力小于环境压力时，液体能继续进入橡胶内，增大接触应力，封隔能力继续增强；当环境压力与封隔器的封压能力平衡时，液体不再进入胶筒内；当遇水膨胀橡胶吸液到一定程度，吸水聚合物和硫分子之间的分子链断裂，导致封压失效。

4.2 遇水膨胀橡胶膨胀率对封隔效果的影响

当遇水膨胀橡胶膨胀至某一膨胀率时，胶筒外形不再保持原始的规则形状，因此当胶筒与岩体(或井内套管)接触时，表现为由局部至整体的逐渐接触方式，因此分析过程需要众多较小时间增量的叠加，完成整个接触过程的模拟。

随着膨胀率的增大，最终产生的变形和膨胀后的密封压力将有明显不同。为了更直观表征膨胀率的变化，数值模拟时引入了过盈量的概念。以φ114.3 mm遇水膨胀封隔器为对象，其基管外径114.3 mm，外层套管内径162.4 mm，胶筒长度1 000 mm，模拟膨胀胶筒与外层套管过盈量分别为1.0，2.0和2.5 mm时的封隔能力，结果见图4。

图4 封压能力与单边过盈量的关系Fig.4 Relation between sealing ability and interference magnitude

由图4可以看出，随着胶筒过盈量的增大，胶筒的封隔能力也在增大，其与胶筒过盈量近似呈线性关系，在胶筒单边过盈量为2.5 mm时，胶筒的封隔能力达到了18 MPa/m。

5 现场应用

遇水膨胀封隔器自研制成功以来，与多级滑套分段压裂工具配合进行了10多口井的现场应用[5]，取得了良好的封隔效果，确保了分段压裂作业的顺利实施。其中，HH37P57井的第8段使用了遇水膨胀封隔器，坐封处实际井径达175.0 mm，压裂时最大压力达64 MPa，压裂过程中无压降，充分证明了遇水膨胀封隔器的封隔能力。下面以该井为例介绍遇水膨胀封隔器的现场应用情况。

5.1 基本井况

HH36P107井完钻井深3 494.00 m，采用投球滑套进行裸眼水平段10级压裂施工。该井水平段井眼较大，平均井径达165.0 mm，最大井径达175.0 mm，且多处为椭圆形井眼，长短轴直径差均超过了5.0 mm，最大达到了10.0 mm。考虑到常规压缩式封隔器因结构所限难以在大尺寸井眼和不规则井眼实现超高压封隔，因此，在井眼直径较大或井眼不规则的位置安放了7个遇水膨胀封隔器，管柱组合及下入井深见表3。

表3 HH36P107井压裂施工管串排列Table 3 Fracturing string arrangement for Well HH36P107

5.2 现场施工分析

HH36P107井下入了7个遇水膨胀封隔器，最长橡胶段长4 m，预制管柱总下入时间21.00 h，其中遇水膨胀封隔器下入时间18.33 h，管串顺利下入后，整体管柱上提和下放摩阻无异常，充分证明了遇水膨胀封隔器下入时的安全性。

管柱下入到设计位置后，替入3%的KCL溶液，等待膨胀。根据地面试验数据及现场实际井况对遇水膨胀封隔器的膨胀时间进行了预测，约7 d后该封隔器能够实现涨封。

图5为HH36P107井的压裂施工曲线，从图5可以看出，各级滑套均顺利打开，打开压差明显，虽然遇水膨胀封隔器坐封位置在井径较大且井眼不规则处，但在压裂过程中，各段封隔效果良好，均没有发生窜层，保证了压裂作业的顺利进行。

6 结论与建议

1) 研制的遇水膨胀封隔器能够实现吸水膨胀，且膨胀率及强度满足设计要求。

2) 温度对于遇水封隔器的吸水膨胀有很大的影响，当温度低于120 ℃时，随着温度的升高，遇水膨胀橡胶的吸水膨胀率增大。

图5 HH36P107井压裂施工曲线Fig.5 Fracturing operation curve for Well HH36P107

3) 盐溶液的离子强度对遇水橡胶膨胀性能的影响明显，离子强度越高，橡胶的吸水膨胀率越低，吸水速度越慢。

4) 遇水膨胀封隔器的膨胀率越大、密封能力越强。

5) 遇水膨胀封隔器在水平井中能够顺利下至设计位置，并能在井径扩大率较大的井眼及不规则井眼实现良好的封隔。

6) 建议研制系列化的遇水膨胀封隔器，并针对不同规格的封隔器形成配套的硫化成型工艺。

7) 进一步扩大遇水膨胀封隔器应用范围，在控水、堵水、筛管完井、封堵目的层等方面进行推广应用。

参考文献
References

[1] 徐鑫，魏新芳，余金陵.遇油遇水自膨胀封隔器的研究与应用[J].石油钻探技术，2009，37(6)：67-69.

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Yang Dekai,Ma Lanrong,Guo Zhaohui,et al.Research of expansion capability of water-swellable rubber[J].China Elastomerics,2013,23(1):80-84.

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[5] 刘阳，马兰荣，郭朝辉，等.自膨胀封隔器技术在完井作业中的应用[J].石油矿场机械，2012，41(3)：76-81.

Liu Yang,Ma Lanrong,Guo Zhaohui,et al.Researches and applications on expandable packers in well completion[J].Oil Field Equipment,2012,41(3):76-81.