張宇航， 徐小兵， 楊亞

（長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

隨著油田逐漸進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，許多不利開(kāi)發(fā)條件逐一顯現(xiàn)：其一，油層間矛盾越來(lái)越突出;其二，受注入水質(zhì)、洗井、作業(yè)等各方面因素的影響，油層污染程度加劇；其三，井下套管縮徑、錯(cuò)斷、破裂等日益惡化。

對(duì)于稀油老油田，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水，經(jīng)常要采取壓裂、酸化等多種措施，直接造成套管腐蝕、變形、穿孔、挫斷等。這無(wú)疑增加了油氣鉆采的難度。從而對(duì)封隔器的使用提出了更高的要求，而且急缺與深井、超深井以及分支井等作業(yè)相匹配組合的各型封隔器，因此系統(tǒng)地歸納國(guó)內(nèi)外的封隔器產(chǎn)品及技術(shù)是很有必要的，特別是在新材料研發(fā)、新的座封方式和作業(yè)工藝方面需要加大力度，為油田開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 國(guó)外封隔器研究動(dòng)態(tài)

隨著近些年油氣田的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)不斷向深井超深井發(fā)展，鉆采工藝也不斷向較深地層方向發(fā)展，對(duì)封隔器的耐溫耐壓等各方面使用性能提出了新的挑戰(zhàn)，以致封隔器今后的研制工作向更加專(zhuān)業(yè)化、多樣化發(fā)展。在最近幾年里，國(guó)外先后研制出了多種新型封隔器以適應(yīng)不同的工藝要求。

國(guó)外的科學(xué)研究者為了克服永久式封隔器和可取式封隔器的不足，通過(guò)利用先進(jìn)的化學(xué)和機(jī)械切割技術(shù)，成功研發(fā)了可拆卸式封隔器。為了滿(mǎn)足在比較惡劣的工況下具有耐高壓、耐高溫、抗腐蝕性能以及較高的工藝操作可靠性，美國(guó)成功研發(fā)了的2.12in高效可錨定單級(jí)膨脹式封隔器。爪哇西海油田（OWJ）通過(guò)改變傳統(tǒng)修井機(jī)二次完井的方式，成功開(kāi)發(fā)出了水泥封隔器，只使用泵輔助設(shè)備和測(cè)井電纜，從而有效節(jié)約了成本，使平均費(fèi)用降低了35%～75%。

由于國(guó)外油氣田開(kāi)發(fā)條件與國(guó)內(nèi)不同，水質(zhì)較好，這樣沒(méi)有必要進(jìn)行不動(dòng)管柱洗井，因而封隔器整體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，沒(méi)有洗井通道。一般設(shè)計(jì)為卡瓦式封隔器，主要有以下幾種：1）C-1型串聯(lián)張力封隔器。通常作為上封隔器使用，通過(guò)十單管注水，但往往需要與其它封隔器串聯(lián)使用；2）AD-1型張力封隔器。具有較大的內(nèi)通徑，操作比較簡(jiǎn)單可靠，是比較理想的張力單管注水封隔器；3）B型快速坐封雙管張力封隔器。該封隔器能有效控制大量的注入液，是比較實(shí)用的雙管多層分注封隔器，屬于雙管可回收張力封隔器；4）J-J型鎖緊張力封隔器。該封隔器利用不銹鋼材質(zhì)，于玻璃纖維管中座封，通常用于注入腐蝕性液體的井中；5）T型雙管水力封隔器。它是比較理想的雙管水力坐封封隔器，施工比較簡(jiǎn)單可靠，通常用于大斜度井的雙管分層注水；6）RTTS（Halliburton RTTS80）封隔器。通過(guò)采用丙烯聚四氟乙烯材料作為密封件膠筒，使得其可耐高溫150℃左右，且配有錨定和扶正機(jī)構(gòu)，密封效果很好。另外在國(guó)外為了改善管柱的受力條件，通常在管柱上安裝可伸縮短節(jié)，這樣還可以有效補(bǔ)償在注水過(guò)程中，由于溫度和壓力效應(yīng)引起的管柱伸縮。國(guó)外改進(jìn)后的可取式注水封隔器有效提高了其工作壽命，耐高溫達(dá)160℃，耐高壓50 MPa，各方面工作性能得到進(jìn)一步提高，有利于在深井和高壓注水井中使用，以滿(mǎn)足在不同油藏中分層注水和開(kāi)發(fā)的需求。

2 國(guó)內(nèi)封隔器研究動(dòng)態(tài)

在國(guó)內(nèi)，封隔器按使用情況大致可分為可取式和永久式兩種封隔器。隨著我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)不斷向深井超深井方向發(fā)展，油井產(chǎn)層分布越來(lái)越復(fù)雜，這樣使得石油開(kāi)采條件日漸復(fù)雜，以致鉆采工藝和生產(chǎn)工藝較常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)不斷向耐高溫耐高壓方向發(fā)展，對(duì)封隔器提出了更高的要求，這也給國(guó)內(nèi)科研工作者對(duì)今后封隔器的研發(fā)提出了新的方向，即在結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，密封材料具有很好的彈性，具有大通徑；在性能方面更加優(yōu)良，針對(duì)各種復(fù)雜工況，用途更加廣泛，工作壽命得到進(jìn)一步提高。目前國(guó)內(nèi)科研工作者針對(duì)封隔器的研究工作主要集中在封隔器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及配套工具改善、封隔器室內(nèi)性能試驗(yàn)、封隔器數(shù)值模擬和參數(shù)計(jì)算包括封隔器系統(tǒng)受力分析、密封膠筒元件在井下工作時(shí)的性能分析等幾個(gè)方面。

在封隔器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及配套工具方面，層間壓差波動(dòng)常常引起封隔器可洗井通道自動(dòng)打開(kāi)，導(dǎo)致封隔器不密封，為此，晏耿成等［9］增加洗井承壓裝置，研制開(kāi)發(fā)了大壓差可洗井封隔器；咸國(guó)旗［10］等通過(guò)增加錨定機(jī)構(gòu)和上壓控制式洗井機(jī)構(gòu)，研制了防蠕動(dòng)多功能封隔器，解決了由于注水壓力波動(dòng)引起的封隔器蠕動(dòng)；徐鳳廷［11］研制的氣密封封隔器解決了在氮?dú)鈿忭旘?qū)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的油套壓平衡問(wèn)題，提高了現(xiàn)場(chǎng)操作的安全性；童征等［12］通過(guò)使用形狀記憶聚合物來(lái)改變封隔器膠筒的密封性能，克服了傳統(tǒng)機(jī)械式封隔器可靠性差、裸眼適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。吐哈油田通過(guò)在封隔器中設(shè)計(jì)平衡通道，配備投球丟手來(lái)完善分選層壓裂管柱配套工具，解決了解封噸位高和風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題。唐欣等［14］通過(guò)設(shè)計(jì)承載倒扣機(jī)構(gòu)和免鉆柔性密封盒，研發(fā)出新型免鉆尾管懸掛器，提高和改善了固井質(zhì)量。

在封隔器性能試驗(yàn)方面，由于封隔器性能直接影響著分層壓裂酸化以及油氣開(kāi)采作業(yè)的效果，因此該測(cè)試至關(guān)重要。隨著油田開(kāi)發(fā)向較深油層發(fā)展，油層壓力溫度必然提高，這就要求封隔器具有耐高溫高壓性能，勝利油田研制的由試驗(yàn)井和井口連接、測(cè)控和加熱系統(tǒng)、密封和加載系統(tǒng)以及液壓等六大系統(tǒng)組成的高溫高壓試驗(yàn)裝置，解決了封隔器模擬試驗(yàn)的難題，為油田深層開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了可靠實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。齊軍等［16］針對(duì)封隔器耐高溫高壓的特性，通過(guò)設(shè)計(jì)由容器本體、底部支撐和導(dǎo)熱油夾套等構(gòu)成的超高壓容器，配以管路系統(tǒng)，主要包括超高壓加壓系統(tǒng)、力加載和動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)以及電控和輔助氣源等六大系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬井下高溫超高壓實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為封隔器的設(shè)計(jì)研發(fā)以及可靠性檢驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的支持。

在封隔器數(shù)值模擬和參數(shù)計(jì)算方面，為了提高擴(kuò)張式封隔器的作用效果，程心平［17］利用有限元分析了膠筒長(zhǎng)度、厚度以及肩部形狀等對(duì)膠筒受力變形的影響，對(duì)封隔器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，使封隔器性能得到進(jìn)一步提高。王勇［18］等以活塞力和虛構(gòu)力為切入點(diǎn)，推導(dǎo)出帶有封隔器的受力及形變公式，通過(guò)對(duì)受力變形的綜合分析，進(jìn)一步提高了油氣田完井和生產(chǎn)的安全性。張昕等［19］通過(guò)非線(xiàn)性有限元分析軟件，對(duì)壓縮式封隔器洗井活塞的工作過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬研究，分析了配合不同尺寸的O型密封圈，從而提高了封隔器的可靠性。

3 封隔器新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

針對(duì)近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)需求，目前已經(jīng)成功研發(fā)出了多種新型封隔器。主要有金屬封隔器、跨隔封隔器、溶脹式封隔器、磁性黏彈體封隔器、高效膨脹式封隔器、可鉆可取式注水封隔器、雙壓差逐級(jí)解封封隔器、可承受雙向壓差的封隔器等?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹以下幾種封隔器原理及特點(diǎn)。

1）金屬封隔器。使用NiTi超彈合金材料作為密封件，這樣在工作時(shí)延展性大，受外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生較大變形，而當(dāng)外力消失時(shí)可以同時(shí)加溫，合金材料基本恢復(fù)到原來(lái)形狀。此外，該封隔器還具有內(nèi)通徑大、耐高壓高溫、耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2）跨隔封隔器。該型封隔器心軸下部設(shè)一臺(tái)階，為克服遇阻坐封或開(kāi)井其下接頭上設(shè)有數(shù)個(gè)彈性爪，這樣有利于臺(tái)階支撐在彈性爪上，使得性能更加穩(wěn)定可靠，有效解決了剪銷(xiāo)封隔器測(cè)試成功率低等問(wèn)題，是目前較為理想的地層測(cè)試工藝裝置。

3）溶脹式封隔器。根據(jù)工作液的不同，可分鹽水類(lèi)和原油類(lèi)溶脹封隔器。該型封隔器通過(guò)充分利用橡膠在膨脹劑中發(fā)生自然膨脹的特性而研發(fā)的，當(dāng)其與芳香烴類(lèi)或鹽類(lèi)液體接觸時(shí)，通過(guò)橡膠的吸收過(guò)程發(fā)生膨脹，從而達(dá)到封隔的效果，有效解決了傳統(tǒng)機(jī)械式封隔器存在的不足。

4）磁性黏彈體封隔器。主要密封件磁性黏彈物質(zhì)而非橡膠，被永磁體吸附在油套環(huán)形空間，能可靠地封隔油套環(huán)形空間，特別適用于套管腐蝕變形井。

5）可黏可取式注水封隔器。屬于卡瓦式注水封隔器，既可以快速鉆磨取出，又可以采用投球憋壓或上提方式解封取出，通過(guò)配置防解封平衡保護(hù)機(jī)構(gòu)和鉆磨防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，利用中心管控制脫接技術(shù)，有效解決了錨定機(jī)構(gòu)中脆性卡瓦易斷難回收問(wèn)題，主要適用于高壓、腐蝕嚴(yán)重的深井。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外封隔器的研究現(xiàn)狀，對(duì)封隔器單一部件比較多，應(yīng)該多向系統(tǒng)部件的配合使用效果方向轉(zhuǎn)變;而且應(yīng)該加大原理性的研究，避免小修小改過(guò)于頻繁;面對(duì)油氣井向更深方向發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)深井超深井封隔器的研究，同時(shí)進(jìn)一步做好封隔器產(chǎn)品和配套工具的標(biāo)準(zhǔn)化工作，有必要實(shí)現(xiàn)各石油單位的技術(shù)交流，啟動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)資源共享平臺(tái)，從而有助于封隔器今后的開(kāi)發(fā)研究。

［1］ 張立新，沈澤俊，李益良.我國(guó)封隔器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2007，35（8）；58-60.

［2］ 李高升.封隔器卡瓦的強(qiáng)度分析［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2006.

［3］ Triolo M T，Anderson L F，Smith M V.Resolving the Completion Engineer′s Dilemma：Permanent or Retrievable Packer?［C］//76711-MS SPE Conference Paper，2002.

［4］ Kennedy G P，Lawless A R，Shaikh A K，et al.The Use of Swell Packer′s as a Replacement and Alternative to Cementing［C］//95713-MS SPE Conference Paper，2005.

［5］ Yoliandri S，Wibowo W，Rich D.Cement Packer：An Innovative Technique to Recover Reserves Above Packer Without Recompletion［C］//78493-MS SPE Conference Paper，2002.

［6］ Harris M L.Innovative Through-Tubing Cement Packer Technique［C］//77804-MS SPE Conference Paper，2002.

［7］ Gordon R J.To Straddle or Not To Straddle-The Inflatable Option［C］//68426-MS SPE Conference Paper，2001.

［8］ Kleverlaan M，Van Noort R H，Jones I.Deployment of Swelling Elastomer Packers in Shell E＆P ［C］//92346-MS SPE Conference Paper，2005.

［9］ 晏耿成，魏立軍，楊會(huì)豐.大壓差可洗井封隔器研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（1）：69-71.

［10］ 咸國(guó)旗，趙天浩，劉晉偉，等.防蠕動(dòng)多功能封隔器的研制與應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2014，21（1）：148-150.

［11］ 徐鳳廷.氣密封封隔器的研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（5）：89-92.

［12］ 童征，沈澤俊，石白茹，等.基于形狀記憶聚合物的封隔器研制［J］.石油機(jī)械，2014，42（6）：69-71.

［13］ 王良，馬龍，劉友.卡瓦封隔器兩層分選層壓裂管柱配套工具完善設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014（4）：190，193.

［14］ 唐欣，錢(qián)斌，李斌，等.封隔式免鉆尾管懸掛器的研制與應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（5）：118-121.

［15］ 呂芳蕾，伊偉鍇，衣曉光，等.高溫高壓封隔器性能試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（7）：77-80.

［16］ 齊軍，劉豐，傅捷.高溫高壓可擴(kuò)展封隔器試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31（5）：90-93.

［17］ 程心平.擴(kuò)張式封隔器膠筒力學(xué)性能分析［J］.石油機(jī)械，2014，42（6）：72-76.

［18］ 王勇，劉蜀知，趙春.帶有封隔器管柱的受力及形變研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010（8）：236-239.

［19］ 張昕，譚國(guó)瓊，陳雪蓮，等.壓縮式封隔器洗井活塞密封性能仿真研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，27（3）：33-35.

［20］ 許嬋嬋，余金陵，徐鑫.遇水自膨脹封隔器專(zhuān)用橡膠的合成與性能分析［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（3）：38-42.

［21］ 玉志，劉克勇，王黎陽(yáng).φ90mm金屬封隔器的研制［J］.河南石油，2005，19（2）；66-67.

［22］ 張毅.采油工程技術(shù)新進(jìn)展［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2005.

［23］ 王增林.國(guó)內(nèi)外石油技術(shù)進(jìn)展［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2005.