劉春雨

（大慶油田裝備制造集團特種汽車制造分公司，黑龍江 大慶 163411）

封隔器的主要功能是封隔上下竄氣、封隔注水層、封隔流水層、封隔壓裂層和熱采層的功能，能否完井和完井的質(zhì)量直接受到封隔器密封性能的影響。封隔器的密封失效是在油氣井勘探開發(fā)中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)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壞，是目前封隔器一直待解決的問題。現(xiàn)在為止，主要有自驗封封隔器技術(shù)、逐級驗封封隔器技術(shù)、壓力計驗封工具技術(shù)、動態(tài)管柱驗封技術(shù)以及性能檢測系統(tǒng)等檢驗封隔器驗封的技術(shù)，現(xiàn)在的這些技術(shù)都是在封隔器進入井下之后才能后續(xù)驗封，如果出現(xiàn)封隔器密封失效，很難采取有效的方法進行補救，存在著人為因素影響大、過程成本高、程序復(fù)雜、應(yīng)用范圍有限的缺點。所以在封隔器的設(shè)計中，既要對封隔器的密封性能作為一個保證，一個衡量的指標，最好可以防止封隔器在使用過程中因出現(xiàn)密封失效而產(chǎn)生的問題。在封隔器的實際使用中，巖性對封隔器的密封有著很大的影響，而之前的封隔器設(shè)計和研究中都忽略了這點，本文主要在理論分析的基礎(chǔ)上，綜合判斷封隔器的密封性，提出封隔器更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，為以后的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 封隔器密封性的評判準則

想要封隔器有效的上下竄氣，必須在井下工作壓差下，封隔器與地層產(chǎn)生足夠大的接觸壓力，封隔性能想要效果好，就要做到在膠筒和地層強度允許的條件下的接觸壓力越大越好。建立一種井下壓力下封隔器密封性的判定標準，為封隔器與地層之間封隔性能、地層不產(chǎn)生壓裂破壞和剪應(yīng)力破壞、膠筒不產(chǎn)生應(yīng)力提供依據(jù)。

具體評判標準為：

（1）為了保證井壁不會產(chǎn)生破裂，封隔器與地層接觸壓力不能太大，還要保證井壁地層不發(fā)生應(yīng)力破壞。

（2）如果膠筒與地層之間的接觸壓力大于任何一面的竄氣壓力，封隔器能有效切斷竄氣通道，有效封隔上下部壓力，保證氣體不通過膠筒與地層的接觸面。

（3）在井下壓差作用下，封隔器不產(chǎn)生應(yīng)力破壞，安全封隔。

2 封隔器的密封性判斷

2.1 封隔器的封隔性

一般情況下，封隔器下面的氣竄壓力大，下面地層為高壓氣層的時候，才對封隔器的密封有著嚴格的要求。假設(shè)封隔器下方竄氣壓力為P1，封隔器能有效密封的話，封隔器的接觸壓力P要大于P1，想要安全封隔時接觸壓力P不能正好大于竄氣壓力P1，所以封隔器與地層的接觸壓力P應(yīng)滿足：P=P1/S1，公式中S1為最小封隔安全系數(shù)（S1＞1）。如果封隔器與地層壓力比較復(fù)雜，S1的數(shù)值可選用1.15～1.25之間,反之S1的數(shù)值可選用1.1～1.15之間。

2.2 封隔器與地層的適應(yīng)性

為了保證封隔器作用下地層的完整性，封隔器在工作的時候地層不發(fā)生壓裂破壞與應(yīng)力破壞，封隔器在設(shè)計中一定要考慮封隔器與地層之間的適應(yīng)性。

（1）地層壓裂破壞。為了不產(chǎn)生地層壓力破壞，封隔器與地層的接觸壓力要小于地層的抗壓強度。如果地層發(fā)生壓裂破壞，地層會變得松軟從而影響封隔器的密封效果。

（2）地層的剪應(yīng)力破壞。為了保證封隔器與地層之間不發(fā)生剪應(yīng)力破壞，必須保證封隔器與地層的接觸壓力小于地層發(fā)生破壞剪應(yīng)力的最大安全系數(shù)。如果發(fā)生剪應(yīng)力破壞，地層會失去支撐的作用，封隔器的密封也相對失效。

（3）為了保證封隔器的密封性，地層在實際過程中的完整性，滿足封隔器與地層之間的接觸壓力不大于發(fā)生壓裂破壞的最大安全接觸壓力和未發(fā)生剪應(yīng)力破壞的最大安全接觸壓力。

2.3 膠筒自身的安全性

膠筒自身的安全性是不發(fā)生應(yīng)力破壞，從而不發(fā)生密封失效。因此，封隔器密封過程中受到的最大應(yīng)力要小于封隔器膠筒的變形強度。

2.4 封隔器的密封性判斷

任何一個封隔器為了保證井下的有效密封，都要同時滿足以下3點，其一對擬封隔地層的上下壓力封隔；其二滿足在封隔過程中不能受到破壞；其三滿足封隔膠筒的完好不被變形，否則封隔器的密封性就會失效。

3 封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

根據(jù)封隔器在井下的密封性可以作為封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)，為此依據(jù)，我們提出幾點封隔器的設(shè)計方法：

（1）封隔器與地層的適應(yīng)性探討。封隔器設(shè)計的基礎(chǔ)首先要保證地層的完整性，一般包括巖性對封隔器的接觸壓力之間的影響，封隔器接觸壓力與大地層最大應(yīng)力的影響兩部分。

（2）封隔器在井下的封隔性能探討。封隔器接觸壓力與封隔器膠筒結(jié)構(gòu)在不同巖性地層下的關(guān)系，計算不同巖性環(huán)境下，不同的膠筒結(jié)構(gòu)壓力與膠筒應(yīng)力，利用有限元分析建模的方法，建立封隔器接觸壓力與膠筒的關(guān)系模型。

（3）封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。選取合理的安全系數(shù)，包括地層破裂的安全系數(shù)、地層剪應(yīng)力破壞的安全系數(shù)、最小封隔安全系數(shù)。

（4）封隔器膠筒的應(yīng)力校核。建立封隔器膠筒的最大應(yīng)力與膠筒的關(guān)系模型，通過有限元分析建模，通過模型計算出最優(yōu)的膠筒結(jié)構(gòu)區(qū)域下的應(yīng)力安全系數(shù)區(qū)域。它是封隔器最佳封隔性能下膠筒的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（5）材料成本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。膠筒的材料越少，膠筒的的材料成本越低，可以作為膠筒優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。

通過以上封隔器密封設(shè)計的優(yōu)化，可適用于包括壓縮式封隔器、液壓膨脹管外封隔器、遇油膨脹封隔器等不同類型封隔器的設(shè)計。利用有限元數(shù)值模擬的方法，實現(xiàn)對封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為封隔器的密封性判斷和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)語

在封隔器有效封隔的各種環(huán)境下，對封隔器的密封性提出了評判準則，并據(jù)此準則建立封隔器封隔性、地層完整性、封隔器膠筒的安全性等綜合因素的封隔器密封性判斷。根據(jù)封隔器密封性的判斷，利用有限元分析建模數(shù)據(jù)的方法，實現(xiàn)封隔器膠筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，適用于不同封隔器的設(shè)計，為現(xiàn)場封隔器的密封性判斷和封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更好的理論依據(jù)。

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