自膨胀封隔器的技术现状和发展趋势*

周大志，刘加杰，吴　英

(四川盐业地质钻井大队, 四川 自贡　643000)

0　引　言

传统的膨胀封隔器在固井完井中存在施工工序复杂、易造成油层污染，不能长期有效密封油层、水层的缺点，现在油田完井施工环境多为多油层井、水平井及高温、高压井，传统的膨胀封隔器施工已不能满足现代工程需求。随着油气资源开采难度的不断增大和开采成本的不断提高，自膨胀封隔器作为一种新技术，有效解决了固井、完井、找水、堵水等工艺井下作业安全、大大降低了作业成本，主要表现在：①能够密封多油层井而进行分层选择性开采；②对高含水井处理有良好的效果，能够长期、稳定、有效封隔；③能够有效地解决储层之间流体窜槽问题[1]。该项技术的成功应用，有效解决了现代油田开发的难题，延长了开采周期，降低了成本。

1　自膨胀封隔器的结构组成和工作原理

1.1　结构组成

自膨胀封隔器分为遇油自膨胀封隔器和遇水自膨胀封隔器两种，其基本结构大致相同，如图1。主要由接箍、中心管、限位圈、膨胀橡胶(胶筒)、保护环、限位螺钉组成。膨胀橡胶是金属骨架加上特殊复合橡胶合成，在高膨胀压力下既有足够是强度，又有一定的柔度。在井下作业时，由于其无传统封隔器的机械运动部件，为此可适用于传统的规则和不规则的井壁。

图1　自膨胀封隔器基本结构

1.2　工作原理

自膨胀封隔器[2-3]以遇油或遇水自膨胀橡胶材料作密封胶筒，封隔器下入井底预定位置后，利用其吸收井下油或水后体积发生膨胀而坐封，直接起隔离井内工作管柱与套管内壁或裸眼井壁之间的环形空间的封隔器。自膨胀封隔器也可单独使用或和其它井下工具配套使用。

2　国内外自膨胀封隔器的技术现状

2.1　国外技术现状

国外自膨胀封隔器技术主要集中在威德福公司、哈里伯顿公司、贝克石油工具公司、斯伦贝谢公司、READ油井服务公司以及俄罗斯的鞑靼石油研究设计院，他们设计并制造了大量的适用于不同条件的膨胀封隔器，在全世界各地油气田都有运用，并取得了成功。

自膨胀封隔器技术在固井、完井、找水、堵水中具有优越性。据报道，在沙特阿拉伯区域运用遇油膨胀封隔器完井，在16口产油井上成功运用，比起下套管完井节约了成本和提高了22%完井速度，并且在三年内都有良好的密封效果[1]；贝克石油工具公司生产的遇油膨胀封隔器在美国巴克页岩油藏区进行了完井，具体利用自膨胀封隔器和滑套工具组合对水平裸眼段多次分段压裂，压裂完井后，该井的平均产量原油达105 t/d,天然气达2.34×104m3[4]。

国外对于自膨胀封隔器的研究还远不于此，通过实验，分析井下流体PH值、温度、压力、颗粒度、粘度、API燃油比重系数、含盐量、组成成分等对自膨胀封隔器密封压力、膨胀能力等的影响[1-3]，并得出了相应的结论。如贝克休斯Anil K. Sadana等利用纳米复合微凝胶材料与丁腈橡胶混合而成制成的小型自膨胀封隔器，在不同百分比的NaCl溶液中进行不同压差的密封试验，得出[5]：4.5″×5.5″×6′膨胀封隔器，在5.875″(ID)井筒中，充满3%的NaCl溶液，加热温度到260 °F，当膨胀率为43%时，能够密封的环形空间的压差为7000 psi；4.50″×5.75″×10′膨胀封隔器，在6.125″(ID)井筒中，充满3.5%的NaCl溶液，加热温度到270 °F，能够密封的压差为9 500 psi。以上研究试验为自膨胀封隔器进一步的研究提供了相应的理论基础。

2.2　国内技术现状

国内自膨胀封隔器技术起步较晚，早期主要靠引进国外的成品自膨胀封隔器来完成复杂井的固井、完井作业，在实践运用中消化改进与创新。通过分析国外自膨胀封隔器的研究和现场运用情况，中石油周振良等申请了遇油、遇水自膨胀封隔器的实用新型发明专利；2008年，由中石油勘探开发研究院装备所成功自主研制的国内首只自膨胀封隔器，在冀东油田高浅南区G160-P13井顺利下井进行现场试验应用，该井投产以后,产量稳定,含水率64%。2012年，由中石化石油工程技术研究院张波等通过分析遇水膨胀封隔器分段酸压技术原理、技术关键、施工程序以及性能参数，在中国西北某油田奥陶系碳酸盐岩油藏进行了现场试验，得出遇水膨胀封隔器分段压裂酸化技术具有节省完井成本，缩短酸压施工周期，灵活卡封、安全性能高等优点；2016年，由中石化石油工程技术研究院杨德锴等针对在鄂尔多斯盆地南部的镇原、泾川地区钻井过程中出现井径扩大率大和井眼不规则，利用常规封隔器不满足后期储层改造和完井的情况，优选自膨胀封隔器，对其结构参数和分段压裂施工工艺的分析，进行了地面模拟试验和现场应用，证明自膨胀封隔器封压良好，地层打开和压裂压力明显，施工压力最高达到64 MPa，没有窜层现象，封隔成功率100%。

除了对自膨胀封隔器在现场运用技术的研究，国内还通过对膨胀橡胶的硬度、长度、膨胀性[6-7]的研究，得出增大膨胀橡胶的硬度、长度、膨胀性能能够增加封隔器与井壁的接触应力，提高封隔器的封隔能力；通过分析温度及盐溶液对膨胀橡胶的影响规律以及橡胶与井壁之间的摩擦因数[6,8]，得出：温度低于120 ℃时，温度越高，膨胀率越大；离子强度越高，吸水膨胀率越低，吸水速度越慢；摩擦因数小于0.15时，随着摩擦因数增大，密封性能增强。

3　自膨胀封隔器的优点和不足

自膨胀封隔器与传统封隔器比较，优点和不足如表1和表2。从中得出自膨胀封隔器的优点能够解决传统封隔器制造成本高、施工困难、封隔有效性不稳定的问题；不足之处成为下一步可研究方向。

表1　自膨胀封隔器与传统分隔器对比的优点

表2　自膨胀封隔器与传统封隔器对比的不足[9-10]

4　发展趋势

随着石油开采技术的发展，固井、完井、找水、堵水的条件越来越复杂和恶劣，高温、高压、高含水、多层的油井随处可见，特别是水平井的普及，如果仍采用常规封隔器设备施工，必然导致成本高、风险大、耗时长，常规封隔器已不能满足油气田生产要求。为此，国内外都朝着更具有优势的自膨胀封隔器方向发展。

通过自膨胀封隔器与传统封隔器优点和不足的分析，其发展方向主要包括以下三个方面：

(1) 从低膨胀率的封隔器到高膨胀率的封隔器

膨胀率=

封隔器膨胀率的大小影响着其使用范围和井下环形空间的大小，即膨胀率越大，可密封的环形空间越大，且井下流体的流过封隔器的流动阻力越小，使用范围越广。传统的机械封隔器，在现有技术和当前运用上，它不能密封比它的原始外径大得多的井眼的情况，而且就算能密封，封隔前封隔器外侧环形空间也较小，流体流过封隔器时流动阻力也较大。机械封隔器的膨胀率通常不能超过1.15，使传统机械封隔器在运用上受到很大的限制。而自膨胀封隔器的允许膨胀率从原来的1.5和2提高到了3[11]，可很好地解决大环空封隔问题。为此，高膨胀率封隔器将是今后的发展趋势。

(2) 从密封低压差的封隔器到密封高温高压差的封隔器

随着油气资源开发向高温高深发展，在完井阶段，为了保护油层，提高采收率，利用裸眼完井，承受储层压裂改造压差50 MPa以上，此时选用自膨胀封隔器就需要承受高温高压差，而根据SY/T 7017-2014遇油遇水自膨胀封隔器标准，遇油遇水自膨胀的最高额定工作温度为150 ℃，最高额定工作压差50 MPa(封隔器胶筒长度为6 m时)，都不能满足现场施工要求，为此，川庆钻探钻采工程院韩熊等针对高温深层井裸眼完井运用自膨胀封隔器的要求，从膨胀橡胶以及封隔器的结构入手研制了耐高温高强度的遇水自膨胀封隔器，耐温150 ℃，耐压差60 MPa以上，通过试验，该试制的遇水膨胀封隔器(4 m胶筒)在150 ℃下，稳压能力大于62 MPa[12]；英国石油BP公司为了满足Valhall油田分区注水开采要求，创新设计了由机械端环系统组成的遇油膨胀封隔器，该封隔器满足油田高压差(10 000 psi以上)裸眼分层压裂完井和生产堵水要求，在此基础上，进一步设计和测试能够承受高压差(15 000 psi)和耐高温(310 °F)的膨胀封隔器，希望能够在长水平裸眼井中运用[13]。由此可见，密封高温高压差的自膨胀封隔器的研制正成为以后趋势。

(3) 从单膨胀封隔器向膨胀封隔器系统化发展

随着油田钻井控制智能化，功能多样化，单一井下工具不能满足钻井要求，工具的系统化必将成为趋势；国外的油气田企业已经有成品的膨胀封隔器系统，如贝克石油工具公司的FORMpac XL膨胀封隔器系统[14]，可以防止裸眼尾管和筛管之间的环状流动，同时维持最大尺寸井眼内径；还可以使液流重新流过筛管，消除了热点的威胁，防止了腐蚀，为井下提供更好的采油条件；斯伦贝谢公司生产的新型遇油膨胀封隔器流体系统解决了在裸眼完井中地层分隔用水基泥饼触发遇油膨胀封隔器的难题提供了可行方案，使地层构造和完井硬件损坏的风险减少到最小[15]。可以得出封隔器系统比单一封隔器有天然的优势：操作简单，减小井下地层和工具损坏风险，减少井下事故。

5　结　论

通过对自膨胀封隔器的结构原理、国内外技术现状及与传统封隔器对比优点和不足的分析，得出：

(1) 自膨胀封隔器能够有效解决现代井下作业安全难题、降低作业成本和节约施工时间，在油气井固井、完井、找水、堵水的施工中会逐渐成为重要的首选井下封隔工具。

(2) 对自膨胀封隔器的研究在国内相比国外还不够充分，还需要从结构、膨胀材料、施工工艺等方面进行全面具体的分析试验，研发出适合国内油气井开发特点的自膨胀封隔器。

(3) 建议自膨胀封隔器应朝着高膨胀比的、耐高温高压差的、系统化的封隔器方向研究。