井下封隔器气体密封性能试验研究

田启忠

（胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000）



井下封隔器气体密封性能试验研究

田启忠

（胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营257000）

摘要：针对通过液体介质来模拟封隔器对气体密封性这一方法的不足，设计了封隔器气体密封性能试验。将试验用模拟封隔器安装于高压筒中，高压筒置于恒温箱内，将高压筒和恒温箱通过试压管线、坐封管线和气体泄漏收集管线与密封性能试验系统连接，再由高压气源生成装置供气模拟井下高压注气过程，来验证井下封隔器对气体的密封性能，其结果更符合实际工作状况。结果表明：室内模拟试验能够为注气封隔器密封件的结构优化和材质优选做出指导方案，为注气驱油技术的推广应用提供参考。

关键词：注气；封隔器；高温；气体密封；试验

为提高油田采收率，补充地层能量，很多低渗透油藏进行了气驱开发，即在油田中布置一些注气井，使用注气管柱进行注气生产［1］。井下注气管柱中包含注气封隔器，封隔器上使用了橡胶类密封件，密封件的材料与结构直接影响了封隔器的密封性能。封隔器通常安装在井下约3 000 m深度，环境温度398 ～418 K，压力30～60MPa。在此工作条件下，封隔器的密封件必须把注入气体可靠地密封在封隔器以下，这就需要一种验证方法来确定它对气体的密封性能。

1 问题分析

现有的试验方法是在地面上将井下封隔器的成品放置于套管中，利用液压坐封封隔器后，用液压泵向封隔器胶筒和套管形成的密封空间内打清水，来检验封隔器的气密封性能［2］。这种试验方法存在以下不足：①液体和气体介质本身存在较大差异，用液体作为介质来检验封隔器密封气体的能力缺乏说服力；②地面试验是在常温下进行的，无法模拟井下高温高气压的实际环境，试验数据缺乏说服力；③试验过程中若出现封隔器密封不好，流体出现泄漏的情况时，则只能通过肉眼观察进行计量描述，缺乏科学严谨性；④整个试验过程处于高压环境下，对操作人员存在安全隐患。

为了解决上述问题，确定井下注气封隔器的气密性能，需要在实验室内对密封件进行相应的试验研究［3］，通过模拟井下的温度、压力与高压气体环境，以气体为介质检验封隔器密封性能，并且能准确计量气体漏失速度，为密封件的结构优化和材质优选提供方案。

2 试验方案

2.1 试验原理

井下封隔器气体密封性能的试验方法是将试验用模拟封隔器安装于高压筒中，高压筒置于恒温箱内，将高压筒和恒温箱通过试压管线、坐封管线和气体泄漏收集管线与密封性能试验系统连接，验证高压筒中试验用模拟封隔器的密封性能。

密封性能试验系统使用的试验介质为C O2或N2。试验用模拟封隔器设计有坐封活塞和密封件，坐封活塞和密封件都套装在中心管上，挤压密封件可密封中心管与高压筒之间的环空［4］。

在井下封隔器气体密封性能的试验方法中，使用的密封性能试验系统包括高压气源生成装置、泄漏气体计量装置和控制装置。试压管线和坐封管线均与高压气源生成装置连接，气体泄漏收集管线与泄漏气体计量装置连接，控制装置通过数据线分别与安装在高压气源生成装置中的压力传感器、安装在恒温箱中的温度传感器和安装在泄漏气体计量装置中的液位传感器连接，用高压气源生成装置坐封试验用模拟封隔器，试验系统及试验流程如图1所示。

高压气源生成装置包括气瓶、气体增压泵和高压储气瓶，气瓶依次连接压力表、气瓶开关、单流阀和高压储气瓶，其中气体增压泵还与驱动阀和空气压缩机连接。气体增压泵设置有控制阀，单流阀的球座设置于气体增压泵一侧。气体增压泵的作用是将低压气源转换为高压气源，其中低压气源由气瓶提供，出口顺次连接压力表和气瓶开关，然后接入气体增压泵的低压进气口；气体增压泵由空气压缩机驱动，中间通过驱动阀控制，气体增压泵的高压出气口接单流阀，然后进入高压储气瓶；高压储气瓶能储存压缩试验用气体，减少由于空气压缩机排气不连续产生的压力脉动，实现供气和用气的平衡，同时起稳定系统压力的作用。

1—气瓶；2—压力表；3—气瓶开关；4—气体增压泵；5—单流阀；6—高压储气瓶；7—安全泄压阀；8—驱动阀；9—空气压缩机；10—压力传感器；11—试压进气阀；12—坐封进气阀；13—试压泄气阀；14—坐封泄气阀；15—恒温箱；16—高压筒；17—坐封活塞；18—密封件；19—温度传感器；20—气体收集阀；21—进水阀；22—计量罐；23—液位传感器；24—放气阀；25—溢流管；26—控制柜；27—试压口；28—坐封口；29—测试口；30—防护墙。图1 封隔器气体密封性能试验系统及试验流程

高压储气瓶的出口管线通过三通管分别与试压管线和坐封管线连接，在三通管与高压储气瓶之间的出口管线与压力传感器连接；高压储气瓶上安装有安全泄压阀，防止压力过高产生危险；高压储气瓶出口管线与三通管之间安装的压力传感器的数据线连接至控制装置的控制柜。试压管线连接试压进气阀后，经由恒温箱的试压进气口与高压筒的试压口连接；在试压进气阀与恒温箱的试压进气口之间的试压管线上还接有试压泄压管线，其上设置有试压泄气阀；坐封管线连接坐封进气阀后，经由恒温箱的坐封进气口与高压筒的坐封口连接，在坐封进气阀与恒温箱的坐封进气口之间的坐封管线上还接有坐封泄压管线，其上接有坐封泄气阀；坐封管线与恒温箱的坐封进气口以及高压筒的坐封口的连接处均采用密封方式连接；试压管线与恒温箱的试压进气口以及高压筒的试压口的连接处也采用密封方式连接，保证整套试验系统的总体密封性。

泄漏气体计量装置包括计量罐，计量罐中放置有液位传感器，计量罐的罐体材质为有机玻璃，其顶盖和底座的材质为不锈钢。底座一侧连接气体泄漏收集管线，气体泄漏收集管线另一端依次连接进水阀和气体收集阀后，经由恒温箱的测量出气口与高压筒上的测试口连接，其中进水阀与进水管线连接；罐体底座下方还连接有溢流管，溢流管是U形管，其未端是上返式溢流口。计量罐的顶盖上装有放气阀，液位传感器从顶盖中装入罐体内。计量罐的罐体、顶盖、底座以及液位传感器和气体泄漏收集管线的连接处均采用密封方式连接。

控制装置包括控制柜、控制面板和数据处理器，控制柜中的数据线与控制面板和数据处理器连接；安装在高压气源生成装置中的压力传感器、安装在恒温箱中的温度传感器和安装在泄漏气体计量装置中的液位传感器均与控制柜连接。高压气源生成装置和泄漏气体计量装置的阀门和开关以及恒温箱的温度调节开关均分布在控制面板上，通过毛细钢管、数据线和电缆与高压气源生成装置和泄漏气体计量装置相连。试验数据的采集、显示与存储均通过数据处理器中的处理软件完成。

气体增压泵设置的控制阀可以通过数据处理器设定上下阈值，使高压储气瓶的压力保持在一定范围内，低于下限值能够自动启动气体增压泵进行补压，高于上限值能够自动停止工作。控制装置与高压气源生成装置和泄漏气体计量装置之间设有防护墙，将控制装置置于防护墙的一侧，其他所有设备放置在防护墙的另一侧，防止意外情况发生［5］，保障操作人员的人身安全，保证试验过程的安全可靠性。

2.2 试验程序

试验前先把模拟封隔器与高压筒装配好，连接好各个设备及各条管线，打开恒温箱的电源开关，通过数据处理器设定试验温度，并进行预热。恒温箱中的温度传感器将温度数据传送到控制柜以及数据处理器的显示器；然后在数据处理器上设定气体增压泵的上、下压力阈值；打开计量罐的气体收集阀和放气阀，保证试验用模拟封隔器坐封过程中受挤压的空气顺利排出［6］。

等温度达到设定值后开始进行试验，打开气瓶开关，关闭试压进气阀、坐封进气阀、试压泄气阀、坐封泄气阀，开动空气压缩机和气体增压泵，将气瓶里出来的低压气体转换成高压气体，并在高压储气瓶中蓄能增压。如果高压储气瓶中的压力高于安全压力，则安全泄压阀打开进行泄压；高压储气瓶的压力可通过压力传感器传送至控制柜以及数据处理器的显示器上。当压力满足试验要求时，打开坐封进气阀，利用高压气体推动坐封活塞挤压密封件，受挤压的空气通过放气阀排出［7］，密封件被挤压变形后通过坐封活塞上的锁环锁定在中心管上，防止回弹，坐封完成后关闭坐封进气阀，打开坐封泄气阀将坐封活塞上部的气压泄掉。

关闭气体收集阀，通过进水阀向计量罐中加入清水，直至溢流管有清水溢出，然后关闭进水阀和放气阀。

打开试压进气阀和气体收集阀，检验密封件的密封情况，若密封不良，高压气体就会从试压口突破密封件［8］，从测试口沿气体泄漏收集管线进入计量罐中，由于罐体是完全密封的，泄漏的气体在罐体上部聚集，将清水通过溢流管排出，清水的液面高度通过液位传感器传送至控制柜和数据处理器，并将液面高度转换为泄漏气体的体积。

试验结束后，关闭试验系统的所有试验设备，打开试压泄气阀将高压储气瓶和高压筒中的气压泄掉［9］。然后通过数据处理器分析试验数据，验证分析试验用模拟封隔器密封件的气体密封性能。

3 室内模拟试验

在对橡胶的硬度、拉伸强度、断裂伸长率、体积变化、质量变化等性能指标高温测试后［10］，优选日本瑞翁的丁腈橡胶H 1010-1和H 2010-1两组橡胶材料作为封隔器密封件进行高温气密封性能试验。试验条件：介质气体N2，试验温度393 K，试验数据如表1。433 K高温条件下橡胶性能数据如图2所示。

在393 K试验条件下，编号为H 1010-1的橡胶密封件在35MPa及以下的压力范围内对气体的密封能力较好，当超过35MPa时，开始有气体渗漏；编号为H 2010-1的橡胶密封件超过20MPa就开始气体渗漏，随着压力的升高，气体的泄漏速度急剧增大。因此，编号为H 1010-1的橡胶材料对气体的密封能力能够满足现场35MPa注气压差的工艺要求，更适合作为井下注气封隔器的密封件使用。

表1　封隔器密封件高温气密封性能试验数据

4 结论

1） 试验系统利用恒温箱和高压气源生成装置模拟井下实际的高温高压注气环境，能验证封隔器对气体的密封能力，试验结果更符合实际工作状况，试验数据更具说服力。

2） 试验系统通过泄漏气体计量装置，能够对高压气体突破封隔器密封件的速度和时间进行测量，能够分析封隔器在注气作业时密封气体的能力。

3） 高温高压气源生成装置以及泄漏气体计量装置与控制装置分布在防护墙的两侧，大幅提高了试验的安全性。

4） 试验系统可为井下注气封隔器密封件的结构优化和材质的优选做出指导方案，提高注气管柱的使用寿命，为注气驱油技术的推广应用奠定了坚实的基础。

参考文献：

［1］ 田启忠.复合坐封式注气封隔器的研制［J］.石油钻采工艺，2015（2）：120-123.

［2］ 王当芳，黄兆芝，李敏，等.压缩式封隔器胶筒密封性能的试验研究［J］.石油机械，1990，18（9）：24-35.

［3］ 王晓，孔学云，王俊姬，等.压裂封隔器胶筒研制及密封性能模拟试验分析［J］.石油圹场机械，2015，44（4）：74-80.

［4］ 于桂杰，李长江，孙宝全，等.压缩式封隔器异型胶筒密封性能分析［J］.润滑与密封，2015，10（1）：45-48.

［5］ 李斌，沈桓宇，陈海涛，等.水平井裸眼封隔器密封结构优化研究［J］.润滑与密封，2015，10（1）：81-85.

［6］ 杨春雷，费根胜，杨立.压裂酸化封隔器胶筒结构密封性能分析与优化［J］.机械研究与应用，2014，27（3）：30-32.

［7］ 刘花军，孙永涛，王新根，等.海上热采封隔器密封件的优选试验研究［J］.钻采工艺，2015，38（3）：80-83.

［8］ 刘传刚，孔学云，马认琦，等.海上完井封隔器胶筒试验装置设计及应用［J］.石油矿场机械，2014，43（7）：81-83.

［9］ 徐凤廷.气密封封隔器的研制与应用［J］.石油矿场机械，2014，43（5）：89-92.

［10］ 刘祖林，张向宁，陈波，等.带金属护肩封隔器的密封特性研究［J］.石油机械，2015，43（5）：96-100.

Gas Tightness Test Research of DoWnhole Packer

TIAN Qizhong
（Reseɑrch Institute of Petroleum Engineering Technology，Shengli Oilfield Compɑny，Dongying 257000，Chinɑ）

Abstract：Based on liquid mediu m to sim ulate the packer of the method of tightness，packer gas sealing performance test was designed. The packer for test was in high pressure cylinder and the high pressure was in therm ostat box，which were connected with high pressure piping，seating piping，and gas leakage collector and sealing performance system. A gain，high pressure source generator to imitate dow nhole high pressure injection to verify dow nhole gas sealing test，the result of which could be more close to actual condition. The result showed that the in-door imitation test could test gas injection packer parts and the materials used in packer，which is for more use in the gas injection technology.

Key Words：gas injection；packer；high Temperature；gas seal；test

作者简介：田启忠（1984-），男，山东临沂人，高级工程师，主要从事钻完井、采油及修井工作，E-mail：tianqizhongcs @ 163. com。

基金项目：国家科技重大专项“C O2驱油油藏工程及注采工艺关键技术研究”（2012B A C24B03）

收稿日期：2015-07-16

文章编号：1001-3482（2016）01-0056-04

中图分类号：T E931.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.013