马力

（西安石油大学机械工程学院 陕西 西安 710065）

扩张式封隔器胶筒的研究现状综述

马力

（西安石油大学机械工程学院 陕西 西安 710065）

石油工业的发展，带动了石油机械装备的发展，在钻井或完井后对油气层进行测试时，为了获得动态条件下地层和液体的参数,封隔器作为主要的井下工具被大量的运用到测试中。而使其安全有效的工作是保证油气井作业的关键，其工作性能的好坏直接影响着油田的生产成本和企业的经济效益。已有大量学者采用有限元方法对封隔器胶筒的力学性能做了研究，为封隔器的结构优化、坐封方式、胶筒材料的选择等提供了理论和建议。所谓“封隔器”，指的是具有弹性密封元件，并借此封隔与套管间的环形空间，实现各种作业的堵封要求，以控制产业柱的井下工具。

扩张式封隔器；胶筒；研究现状

前言

封隔器作为一个关键井下工具广泛应用于油气井作业过程中，但目前国产封隔器的性能还存在以下一些问题：封隔器承压能力低，坐封复杂，密封性能差，胶筒不耐高温，使用寿命短，维护投资过大。扩张式封隔器，其特点为悬挂式固定，液压坐封，液压解封，靠胶筒向外扩张来封隔油和套管的环形空间。其工作原理是中心管憋压，当压力到达一定值后，在液压的作用下活塞上行，剪断坐封启动销钉。进入锁簧入锁后，坐封进液通道被开启，液体进入扩张式胶筒与中心管的密封空间内使胶筒膨胀坐封。中心管卸压后，胶筒在自身的弹力的作用下回收，完成解封。封隔器坐封后所能承受的压差和温度关键取决于胶筒材质、结构及其肩部保护机构。胶筒压裂、扯断、掉落、肩部损毁是造成封隔器密封失效的很大一部分原因，尤其在高温、高压井中，封隔器工作环境恶劣，受力复杂，胶筒很容易失效。

1.国内外研究现状

随着我国油气田开发不断向深井超深井方向发展，油井产层分布越来越复杂，这样使得石油开采条件日渐复杂，以致钻采和生产工艺不断向耐高温耐高压方向发展，对封隔器性能提出了更高的要求，这也给国内研究工作者对以后封隔器的研发指定了新的方向，即在结构方面设计更简单，密封材料具有更好的弹性；在性能方面更优良，针对各种复杂的井下工况，使用更广泛，工作寿命得到更大的提高。目前国内工作人员针对封隔器的研究工作主要集中在封隔器数值模拟和参数计算（包括封隔器系统受力分析、密封胶筒元件在井下工作时的性能分析）等几个方面。而针对封隔器胶筒有这些方面的研究：

1994年，Rivin E I，Lee B S两人对受压橡胶元件的应力-应变以及蠕变特性进行了实验研究[1]，并推导出橡胶硬度与弹性模量关系式。1996年两人在94年研究的基础上，对橡胶元件做了有限元分析。

2008年张峻，阴川生等针对K344封隔器密封压差低，抗蠕动性能差等问题，建立了分离式双胶筒和加钢网结构[2]。他的优化思路为：封隔器坐封时，2个胶筒向外膨胀，当胶筒接触到套管时，在两个胶筒间形成一个密闭区，坐封压力上升。封隔器坐封后，2个胶筒之间的压力始终保持最高坐封时产生的压力，当注水压差较大时，由于2个胶筒间形成高压密闭区，可保证其中一级胶筒两端为低压状态，有效提高了封隔器的密封压差。

2010年，王治国，王在强等为满足水平井多段分层压裂的有效封隔及特殊井作业的需要，对K344封隔器的胶筒结构、安装方式及胶筒座肩部等进行了改进[3]。文章将胶筒肩部夹角增大，缩小肩部空隙，以减小应力集中；改变了胶筒两端固定方式，采用一端固定另一端浮动密封，降低了启动坐封压力，减小了胶筒扩张后的应力，提高了胶筒性能。

2014年，程心平用ABAQUS软件对扩张式封隔器胶筒进行了力学行为分析，并对封隔器胶筒进行了系统的研究[4]。其结果表明，随着温度的升高，橡胶材料的强度会变弱。当封隔器处于工作状态时，胶筒肩部变形最大，伴随着压力的增加，变形的趋势减缓，应变能密度函数与工作压力基本呈直线关系。

通过调研国内外研究现状，发现学者对扩张式封隔器胶筒进行的研究主要包括质量问题、强度和密封性能这些方面。

其中质量问题和强度都与材料的选择和补强有关系。封隔器的材质选择一般要考虑这几点因素：一是胶筒的性能要求，包括强度、硬度、韧性、弹性、耐磨性能等；二是胶筒的防腐性能要求；三是选用材料的热处理行能、可加工性能；四是选用材料的来源和价格。封隔器对金属材料的要求主要决定于井下环境、结构设计和性能要求。在国内，可取式封隔器刚体常用的金属材质为优质碳素钢45、合金钢结构35CrMo、弹簧钢60Si2Mn等。而密封材料通常为合成橡胶，常用的橡胶材料有氯丁胶、丁腈橡胶和氟橡胶。在补强这一块，往往是对胶筒进行补强，一般会在胶筒中加入其他材料如尼龙帘线、聚酯帘线、钢丝帘线和叠加钢片等，然后用大型有限元软件对其进行对比分析。目前对补强这一块虽有了一些尝试，但依然有许多的问题存在，面对复杂的井下工矿，仍然不能完全满足需求，那么对胶筒进行补强是值得探索的一个重点。

而对于封隔器密封性能方面，除了与材料有关系还与封隔器胶筒的结构设计有关系，一般会考虑胶筒的厚度、高度、肩部倾斜角对密封性能的影响，往往会设计一个较优的尺寸，来使得在坐封力足够小的情况下同时使胶筒与套管接触应力足够大。现阶段在尺寸优化方面，依然还有很多值得改进的地方。

2.封隔器胶筒常见问题及解决方法

封隔器常见问题可归纳为：①随着井下工作时间的延长，封隔器密封件不断老化损坏，造成封隔器不密封；②套管弯曲变形、腐蚀，造成封隔器不密封；③封隔器的卡封位置不准确；④封隔器最后无法解封[5]。

现场实践表明封隔器失效的诱因为：①由于管柱震动的影响，导致卡瓦位置滑动，封隔器胶筒失效，生产中则表现为油井工作一段时间后含水上升。②经多次作业坐封，套管易受到损伤，卡封使局部套管内径变大，形状不规则，当封隔器胶皮胀开后胶皮与套管之间存在间隙，不能有效地封堵油套环空。

针对胶筒失效给出的防治措施包括:优化封隔器胶筒尺寸，使用耐温、耐压、抗剪切性能好的橡胶材料，并且采用特殊的防凸保护和肩部保护装置等。可以发现，在封隔器使用中出现的问题并不只是封隔器自身可靠性的原因，封隔器作为连串作业的一个关键组成部分，很大程度上受到其他锚定、支撑组件和油套管的影响。实际应用中不应该过分强调封隔器自身组件的可靠性，而搁置其他条件。

3.结论与展望

封隔器作为重要工具，本身价值不高，但和其他工具的组合价值高，且对施工至关重要，油田各生产单位应予以充分重视。应在以下方面予以加强：

(1)加强封隔器胶筒尺寸和材料方面的研究。

(2)把封隔器设计工作精细化， 应用先进设计方法和制造技术，把对封隔器单一部件的关注转移到系统部件的配合使用效果上。

(3)目前封隔器的使用数据太分散， 而小改过于频繁，应加大原理性的研究。

[1] Lee B S，Rivin E I. Finite Element Analysis of Load-Deflection and Characteristics of Compressed Rubber Components for Vibration Control Devices [J].Journal of Mechanical Design,1996， 118(9):328-335.

[2]张峻，阴川生等.K344型注水封隔器封层性能优化研究[J].石油机械，2008，36（7）：63-65.

[3]王治国，王在强等.K344-108型小直径封隔器的改进与应用[J].石油机械，2010，38（8）：40-42.

[4]程心平.扩张式封隔器胶筒力学性能分析[J].石油机械，2014，42（6）:72-76.

[5]范青，陈永红.卫玮.胶筒损坏失效分析[J].油气井测试，2014，10：23-28.

TP205

A

1009-5624（2016）05-0006-02