封隔器的密封性评判及相关结构设计探讨

刘春雨

（大庆油田装备制造集团特种汽车制造分公司，黑龙江 大庆 163411）

封隔器的主要功能是封隔上下窜气、封隔注水层、封隔流水层、封隔压裂层和热采层的功能，能否完井和完井的质量直接受到封隔器密封性能的影响。封隔器的密封失效是在油气井勘探开发中经常出现的一种现象，怎么避免封隔器密封失效和判定封隔器在井下的密封性好坏，是目前封隔器一直待解决的问题。现在为止，主要有自验封封隔器技术、逐级验封封隔器技术、压力计验封工具技术、动态管柱验封技术以及性能检测系统等检验封隔器验封的技术，现在的这些技术都是在封隔器进入井下之后才能后续验封，如果出现封隔器密封失效，很难采取有效的方法进行补救，存在着人为因素影响大、过程成本高、程序复杂、应用范围有限的缺点。所以在封隔器的设计中，既要对封隔器的密封性能作为一个保证，一个衡量的指标，最好可以防止封隔器在使用过程中因出现密封失效而产生的问题。在封隔器的实际使用中，岩性对封隔器的密封有着很大的影响，而之前的封隔器设计和研究中都忽略了这点，本文主要在理论分析的基础上，综合判断封隔器的密封性，提出封隔器更好的结构设计方法，为以后的应用奠定了基础。

1 封隔器密封性的评判准则

想要封隔器有效的上下窜气，必须在井下工作压差下，封隔器与地层产生足够大的接触压力，封隔性能想要效果好，就要做到在胶筒和地层强度允许的条件下的接触压力越大越好。建立一种井下压力下封隔器密封性的判定标准，为封隔器与地层之间封隔性能、地层不产生压裂破坏和剪应力破坏、胶筒不产生应力提供依据。

具体评判标准为：

（1）为了保证井壁不会产生破裂，封隔器与地层接触压力不能太大，还要保证井壁地层不发生应力破坏。

（2）如果胶筒与地层之间的接触压力大于任何一面的窜气压力，封隔器能有效切断窜气通道，有效封隔上下部压力，保证气体不通过胶筒与地层的接触面。

（3）在井下压差作用下，封隔器不产生应力破坏，安全封隔。

2 封隔器的密封性判断

2.1 封隔器的封隔性

一般情况下，封隔器下面的气窜压力大，下面地层为高压气层的时候，才对封隔器的密封有着严格的要求。假设封隔器下方窜气压力为P1，封隔器能有效密封的话，封隔器的接触压力P要大于P1，想要安全封隔时接触压力P不能正好大于窜气压力P1，所以封隔器与地层的接触压力P应满足：P=P1/S1，公式中S1为最小封隔安全系数（S1＞1）。如果封隔器与地层压力比较复杂，S1的数值可选用1.15～1.25之间,反之S1的数值可选用1.1～1.15之间。

2.2 封隔器与地层的适应性

为了保证封隔器作用下地层的完整性，封隔器在工作的时候地层不发生压裂破坏与应力破坏，封隔器在设计中一定要考虑封隔器与地层之间的适应性。

（1）地层压裂破坏。为了不产生地层压力破坏，封隔器与地层的接触压力要小于地层的抗压强度。如果地层发生压裂破坏，地层会变得松软从而影响封隔器的密封效果。

（2）地层的剪应力破坏。为了保证封隔器与地层之间不发生剪应力破坏，必须保证封隔器与地层的接触压力小于地层发生破坏剪应力的最大安全系数。如果发生剪应力破坏，地层会失去支撑的作用，封隔器的密封也相对失效。

（3）为了保证封隔器的密封性，地层在实际过程中的完整性，满足封隔器与地层之间的接触压力不大于发生压裂破坏的最大安全接触压力和未发生剪应力破坏的最大安全接触压力。

2.3 胶筒自身的安全性

胶筒自身的安全性是不发生应力破坏，从而不发生密封失效。因此，封隔器密封过程中受到的最大应力要小于封隔器胶筒的变形强度。

2.4 封隔器的密封性判断

任何一个封隔器为了保证井下的有效密封，都要同时满足以下3点，其一对拟封隔地层的上下压力封隔；其二满足在封隔过程中不能受到破坏；其三满足封隔胶筒的完好不被变形，否则封隔器的密封性就会失效。

3 封隔器的结构设计探讨

根据封隔器在井下的密封性可以作为封隔器的结构设计依据，为此依据，我们提出几点封隔器的设计方法：

（1）封隔器与地层的适应性探讨。封隔器设计的基础首先要保证地层的完整性，一般包括岩性对封隔器的接触压力之间的影响，封隔器接触压力与大地层最大应力的影响两部分。

（2）封隔器在井下的封隔性能探讨。封隔器接触压力与封隔器胶筒结构在不同岩性地层下的关系，计算不同岩性环境下，不同的胶筒结构压力与胶筒应力，利用有限元分析建模的方法，建立封隔器接触压力与胶筒的关系模型。

（3）封隔器的结构设计。选取合理的安全系数，包括地层破裂的安全系数、地层剪应力破坏的安全系数、最小封隔安全系数。

（4）封隔器胶筒的应力校核。建立封隔器胶筒的最大应力与胶筒的关系模型，通过有限元分析建模，通过模型计算出最优的胶筒结构区域下的应力安全系数区域。它是封隔器最佳封隔性能下胶筒的最优结构设计。

（5）材料成本的结构优化。胶筒的材料越少，胶筒的的材料成本越低，可以作为胶筒优化设计的依据。

通过以上封隔器密封设计的优化，可适用于包括压缩式封隔器、液压膨胀管外封隔器、遇油膨胀封隔器等不同类型封隔器的设计。利用有限元数值模拟的方法，实现对封隔器胶筒的结构设计，为封隔器的密封性判断和结构的优化设计提供了理论依据。

4 结语

在封隔器有效封隔的各种环境下，对封隔器的密封性提出了评判准则，并据此准则建立封隔器封隔性、地层完整性、封隔器胶筒的安全性等综合因素的封隔器密封性判断。根据封隔器密封性的判断，利用有限元分析建模数据的方法，实现封隔器胶筒的结构设计，适用于不同封隔器的设计，为现场封隔器的密封性判断和封隔器的结构设计提供了更好的理论依据。

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