（油气井工程专业论文）遇油膨胀封隔器的膨胀特性研究.pdf

s t u d y o ns w e l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs w e l l p a k e r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：m am i n g x i n s u p e r v i s o r ：p r o f b uy u h u a n c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 2 惴3舢5嬲 珊1脚y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期： o 1 年r 月2 占日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段 保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：如，年5 月 彦日 日期：) f ) 11 年岁月) ，护 ， 摘要 气窜一直是油气勘探开发过程中亟待解决的问题。国内外研究表明，封隔器固井工 艺可以有效的防止气窜的发生，遇油膨胀封隔器( s w e l l p a c k e r ) 是一种遇油后发生热动 力膨胀的新型封隔器，膨胀不依赖于井壁形状，具有良好的油气窜流性能、裸眼封隔可 靠性高的特点。本文在对s w e l l p a c k e r 的遇油膨胀特性及性能实验调研分析的基础上， 对s w e l l p a c k e r 在井下与地层的接触压力及应力分布进行了有限元计算和分析，优化了 不同岩性地层下s w e l l p a c k e r 胶筒的结构。 研究表明，遇油膨胀橡胶的热膨胀过程与吸油膨胀相一致，橡胶在膨胀后应力基本 没有发生变化，通过膨胀橡胶的热膨胀分析可以合理描述出膨胀橡胶吸油膨胀后的状 态。胶筒与地层的最大接触压力位于胶筒的中部位置，最大应力分布于胶筒所受压力较 小的一侧。在相同胶筒结构下，胶筒的最大接触压力随着胶筒下方压力的增加而线性增 大，不同地层岩性的胶筒最大安全下方压力的与地层岩性的弹性模量成正比。建立不同 接触压力下的地层剪应力的关系模型，得出了地层岩石在井下三轴应力作用下井壁地层 的最大剪应力随胶筒接触压力的增大而线性增大的规律，计算得出了在地层发生剪应力 破坏时的最大安全接触压力。 通过理论分析提出了s w e l l p a c k e r 密封性的判断方法，现场可以根据实际井下的压 力及井况，选择合适的封隔安全系数，依据密封性的判断方法判断井下s w e l l p a c k e r 的 密封的可靠性。据此建立了s w e l l p a c k e r 封隔器的膨胀模型和不同岩性地层的封隔性能 与胶筒结构的非线性回归模型，依据川东北地区的地层特性参数( 针对于自流井组) ， 得出了不同岩性地层下的最佳s w e l l p a c k e r 胶筒结构：胶筒厚度为1 8 m m ，砂岩地层的胶 筒长度为1 1 7 3 m ，页岩地层的胶筒长度为1 4 0 2 m ，泥岩地层的胶筒长度为1 4 1 5 m 。经 应力校核最优结构的胶简未发生应力破坏，s w e l l p a c k e r 可以在井下安全封隔。 关键词：s w e l l p a c k e r ；膨胀特性；接触压力；结构优化；地层适应性 ， r ，l s t u d yo ns w e l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs w e l l p a k e r m a m i n g x i n ( o i l & g a s w e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rb uy u h u a n a b s t r a c t g a sm i g r a t i o np r o b l e m sa l w a y se x i s ti nt h eo i la n dg a se x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t p r o c e s s r e s e a r c hs u g g e s t st h a tc o m p l e t i o nb yp a k e rc o u l do b v i o u s l yp r e v e n tt h em i g r a t i o n o fo i lg a s s w e l l p a k e ri san e wt y p eo fp a c k e rt h a tc o u l ds w e l la u t o m a t i c a l l yw h e n i tc o n t a c t s w i t ho i lo rg a s ，a n dt h es w e l l i n gh a sn or e l a t i o n s h i pw i t hw e l l b o r es h a p e ，s i n c es w e l l p a c k e r h a st h ea d v a n t a g e so fh i g hi s o l a t i o nr e l i a b i l i t ya n de x c e l l e n tg a sm i g r a t i o nr e s i s t a n c e ，b a s e d o nt h es w e l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs w e l l p a k e r ，t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ec o n t a c tp r e s s u r ea n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fs w e l l p a k e rr u b b e r ，a n do p t i m i z e dt h es t l l 肭聪o fs w e l l p a c k e rr u b b e r r e s e a r c hs u g g e s t st h a t ，t h e r m a le x p a n s i o no fs w e l l i n gr u b b e ri sc o n s i s t e n tw i t ho i l a b s o r p t i o ne x p a n d i n g ，t h e r m a le x p a n s i o na n a l y s i sc o u l ds i m u l a t et h ea b s o r p t i o ne x p a n d i n g p r o g r e s sr e a s o n a b l y t h em a xc o n t a c tp r e s s u r ei sl o c a t e di nt h em i d d l eo fr u b b e r ，a n dt h e m a xs t r e s si sd i s t r i b u t e di no n es i d eo fr u b b e r o ft h es a m es 饥l c 臼l r e ，t h em a xc o n t a c t p r e s s u r ei n c r e a s e sl i n e a r l yw i t hp r e s s u r eb e l o wr u b b e r ，t h em a xs a f e t yp r e s s u r eb e l o wi s p r o p o r t i o n a lt ot h ee l a s t i cm o d u l u so ff o r m a t i o n b ye s t a b l i s h i n gt h es h e a rs t e s sm o d e lo f f o r m a t i o n ，a n dt h es h e a rs t e s si n c r e a s e sl i n e sw i mt h ec o n t a c tp r e s s u r e ，a d d i t i o n a l l y , t h em o s t s a f e t yc o n t a c tp r e s s u r ec o u l db ec a l c u l a t e d 舶mt h i sm o d e l t h o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dt h es e a l i n gj u d g m e n tr u l eo f s w e l l p a k e r t h e r e f o r e ，t h ei s o l a t i o nr e l i a b i l i t yo fs w e l l p a c k e rc o u l db ej u d g e db ys e l e c t i n gt h e a p p r o p r i a t ep a c k e r s s a f e t yf a c t o rc a l c u l a t e do nt h ec o n s t r u c t i o ns i t e a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e r f o u n d e dt h es w e l l i n gm o d e la n dt h en o n l i n e a rm a t hm o d e lb e t w e e ns e a l i n gp r o p e r t ya n d r u b b e rs 仃u c 咖a c c o r d i n g l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sf o r m a t i o ni nn o r t he a s to f s i c h u a np r o v i n c e f i n a lo p t i m i z e ds w e l l p a c k e r 咖c 嘶i st h i c k n e s so f18 m m w i t hl e n g t ho f 1 17 3 mu n d e rs a n d s t o n ef o r m a t i o n 、 1 4 0 2 mu n d e rs h a l ef o r m a t i o na n d1 4 15 mu n d e r m u d s t o n ef o r m a t i o n c o n f o r m e db yc h e c k i n gr u b b e rs t r e s s ，i tc o u l di s o l a t eg a sm i g r a t i o n s a f e l y k e y w o r d s ：s w e l l p a k e r ，s w e l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t a c tp r e s s u r e ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , f o r m a t i o na d a p t a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 研究的目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 气窜及防气窜技术2 1 2 2 封隔器完井技术：3 1 2 3 遇油膨胀封隔器4 1 2 4 目前研究存在的不足7 1 3 研究内容7 1 4 研究方法及技术路线8 第二章遇油膨胀封隔器的膨胀特性。9 2 1 遇油膨胀封隔器的膨胀机理分析9 2 2 膨胀特性实验分析1 0 2 2 1 遇油膨胀橡胶优选1 0 2 2 2 遇油膨胀橡胶的膨胀特性实验分析1 1 2 2 3 遇油膨胀橡胶的膨胀率2 0 2 3 本章小结2 1 第三章遇油膨胀封隔器力学模型2 3 3 1 物理模型2 3 3 2 橡胶的本构关系2 3 3 3 有限元模型2 6 3 4 网格划分2 7 3 5 载荷及边界条件2 7 3 6s w e l l p a c k e r 的膨胀描述2 7 3 7 本章小结2 9 第四章遇油膨胀封隔器结构参数对封隔性能的影响3 0 4 1 胶简长度对封隔性能的影响3 0 4 1 1 胶筒下方压力4 0 m p a 3 0 4 1 2 胶筒下方压力5 5 m p a 3 5 4 1 3 其他胶筒下方压力 4 1 4 不同压力下的封隔性能 4 2 胶筒过盈厚度对封隔性能的影响 4 2 1 胶筒下方压力4 5 m p a 。 4 2 2 胶筒下方压力6 0 m p a 。 4 2 3 其他胶筒下方压力5 0 4 2 4 不同压力下的封隔性能5 1 4 3 相同胶筒结构的下方封隔压力对封隔性能的影响5 3 4 4 本章小结5 4 第五章遇油膨胀封隔器胶筒的结构优化5 5 5 1s w e l l p a k e r 与地层的适应性研究5 5 5 1 1 地层岩石力学参数分析5 5 5 1 2 岩性对胶筒接触压力的影响5 6 5 1 3 不同地层岩性下的胶筒应力5 9 5 1 4s w e l l p a c k e r 膨胀对地层的影响6 1 5 1 5s w e l l p a c k e r 密封性的判断方法6 3 5 2 胶筒结构的封隔性能模型6 4 5 2 1 不同地层的胶筒长度与封隔性能模型6 5 5 2 2 不同地层的胶筒过盈厚度与封隔性能模型6 6 5 3 不同岩性地层的胶筒结构优化6 8 5 3 1 胶筒的膨胀模型6 8 5 3 2 遇油膨胀封隔器胶筒的结构优化6 9 5 3 3 胶筒的应力校核7 0 5 4 本章小结7 2 第六章结论7 3 参考文献7 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 9 致j 射8 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 环空气窜会严重影响完井质量、破坏储层，影响油气产能，对油气田开发后续作业 造成诸多不利影响，严重时将导致油气井报废。环空气窜可能会发生在固井施工过程中、 也可能会发生在生产过程中。固井候凝过程中水泥浆凝固产生失重，使得作用在下部地 层的作用力降低，难以平衡下部地层的压力，致使地层内的气体侵入到环空，造成水泥 胶结质量不好。生产过程中由于水泥环受到不同应力的作用，有时会造成水泥环封隔失 效，导致气层气体窜入环空或层间互窜。不管是那种原因造成的环空气窜，若不加以封 隔，气体会顺着环空上窜甚至窜入井口。 由于影响气窜的因素和涉及的问题很多，气窜一直是油气勘探开发过程中亟待解决 的问题。国内外现场实践表明【1 1 ，即使在固井注水泥工艺非常优良的情况下，水泥浆在 候凝过程中气窜都时有发生。 水平井完井的难度更大，防止气窜的发生显得更加格外重要。在水平井的固井过程 中【2 1 ，由于环空间隙的不均匀性会出现水泥浆顶替效率降低，而由于重力作用而沉淀在 井壁下侧的水泥浆固相颗粒及清洗不彻底的岩石碎屑形成的“固相窜槽”和井眼高边的 “水窜槽”都会成为油、气窜的通道，致使气窜几率变大，影响比直井固井更加严重，导 致水平井完井成功率低且费用高。 因此要想减少固完井成本，就要有效的进行层问封隔，防止气窜的发生，相应的措 施：一是需要设计合理的完井结构、二是研究优良的水泥浆体系、三是需要具有良好防 气窜能力的固井工具以进行层位封隔。 管外封隔器固井技术是一种特殊的复杂井固井技术。管外封隔器固井是指在套管外 环空加管外封隔器，注水泥结束后胀封管外封隔器，将上下气层进行有效封隔。如 m c m o r a n 公司在墨西哥湾的很多油井发生气窜，虽然采取了诸多防气窜技术措施，但 均不能封隔环空气窜，之后使用了管外封隔器进行封隔，从1 9 9 1 年6 月份至w 2 0 0 2 年5 月份 共解决了8 口井的气窜问题【3 1 。 因此，通过管外封隔器固井技术解决气窜问题是可行的，但随着油气井不断向高温 高压等复杂地层环境方向发展【4 1 ，对封隔器的性能提出了更高的要求，目前常规的封隔 器在使用过程中主要存在以下问题： 第一章绪论 ( 1 ) 封隔器会出现中途坐封、错封、不坐封的情况【5 】； ( 2 ) 封隔器胶筒老化而提前失效【6 】； ( 3 ) 封隔器胶筒由于受力不均产生应力集中【7 1 ，导致胶筒应力破坏失效； ( 4 ) 常规管外封隔器胀封工序复杂，成功率低，占用钻机时间，增加了固井成本。 针对常规管外封隔器的这些问题，国外研制了遇油膨胀封隔器，遇油膨胀封隔器是 基于橡胶遇油膨胀的特性设计而成的。这种膨胀能使体积增加数倍，从而达到封隔管外 环空空间的目的。相对于常规封隔器，其优点是下井过程中无送放工具，不占用钻机时 间，省去了注水泥的工作，在水平井段固井可以替代注水泥的工作，大大的提高固井效 率，节约固井成本。 国内对于遇油膨胀封隔器的研究还处于起步阶段，少数的研究只是针对胶筒的成分 与性能的一些室内试验。目前胶筒的结构都是依照经验决定，没有确切考虑封隔器在井 下的封隔性能，也没有考虑封隔器与地层岩性的适应性；对井下封隔器的验封一般采用 地面检测装置 8 1 、井下压力计 9 】等工具，不管是经验确定胶筒结构尺寸还是采用井下压 力计进行封隔器的验封，都有人为因素影响大、验封过程复杂、成本高等缺点，而利用 有限元模拟的方法对s w e l l p a e k e r 结构优化具有简单、主观因素少的优点，因此探索出一 种采用有限元模拟的方法来进行s w e l l p a e k e r 参- 隔性能的研究显得十分必要。 井下封隔器完成有效封隔时，胶筒与套管和井壁之间接触所产生的接触压力是胶筒 承受工作压差的必要条件，在橡胶和地层强度允许条件下，接触压力越大封隔性能越好。 为此，本文首先调研总结了遇油膨胀橡胶的膨胀性能实验，在此基础上采用有限元方法 研究胶筒上下工作压力和接触压力之间的关系，依据遇油膨胀橡胶的遇油膨胀性能进行 实验研究对s w e l l p a c k e r 在井下工况下的封隔性能进行了研究，以建立一种在井下压力下 s w e l l p a c k e r 胶筒的结构优化方法和密封性的评判标准研究为目标，在此基础上进行封隔 器与地层岩性的适应性研究，为现场s w e l l p a c k e r 的密封性判断提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 气窜及防气窜技术 环空气窜的形成原因很多，固井时由于水泥浆顶替效率较低、水泥石胶结质量差、 水泥浆候凝过程中的“水泥浆失重”等都有可能形成环空气窜。 气窜的发生会直接影响水泥石的胶结强度，降低水泥石的胶结质量，造成固井施工 过程中重复进行挤水泥工作，增加了固井施工的难度和作业成本。同时环空气窜也有可 能污染油气产层，对油气田开发的后续作业如注水、酸化压裂和分层开采等都会造成诸 2 丫 l i ， v 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 多不利影响，严重时可导致井口持续冒油i 冒气，甚至有可能造成井喷事故。因此如何 进行有效的防止气窜的发生一直是钻完井领域的难题。 近几十年来，国内外学者对环空气窜的形成原因、影响因素、预测方法及防气窜水 泥浆体系、固井工艺等方面做了大量研究【1 0 】工作，目前国内外普遍采用的防气窜技术措 施是水泥浆防气窜技术和防气窜固井工艺。 目前已经开发出了膨胀水泥浆体系、触变水泥浆体系、可压缩水泥浆体系及抗高温 成膜防窜水泥浆体系等，形成了平衡压力固井、双凝水泥固井、环空加回压固井、管外 封隔器固井工艺和m t c 固井等防气窜工艺。 虽然多种特种水泥浆体系能够解决部分井的气窜问题，但是在高压气井以及水平井 等复杂井的固井中，单纯利用水泥浆防气窜技术不能解决环空气窜问题，尤其是在环空 水泥浆进入候凝及终凝时期，由于环空水泥浆连续失重直至环空静液柱压力【1 1 】为零甚至 为负值，此时极易发生气窜，要采用相应的固井工艺来平衡由于水泥浆失重而减少的压 力，因此在复杂井的固井中要采用水泥浆防气窜技术与固井工艺的相结合的方法。 管外封隔器固井技术是一种特殊固井工艺技术，此固井技术在国外已普遍采用，国 内主要用于水平井和气井等复杂井固井 1 2 , 1 3 1 实践。现场作业【1 4 】证实在水平井完井中管外 封隔器是实现环空封隔的有效方法，特别是遇到下列三种情况时： ( 1 ) 在注水泥完井的环空有效封隔【1 5 】上下地层压力和微裂隙； ( 2 ) 对产层选择性增产； ( 3 ) 衬管完井作业时封隔下部割缝衬管处的地层与上部注水泥固井的井段地层， 防止层间水泥浆互染、阻止窜槽产生。 1 2 2 封隔器完井技术 ( 1 ) 简介 完井是油气井钻井、开发的重要衔接环节，完井质量直接关系到油气田开发的经济 效益【1 6 】。根据产层的地质特点，当前国内外的完井技术主要有以下几种：射孔完井法、 裸眼完井法、衬管完井法、砾石充填完井法、封隔器完井【1 7 1 等。 套管外封隔器是一种与套管连接，用来封隔套管与井壁环空的井下工具。封隔器完 井是依靠下入封隔器来达到目的层段的封隔，它可以进行有选择性的开采或者封堵特殊 层段，有效封隔油气水层，保证套管外环空的密封。在油田开发中后期，油气藏的开发 难度越来越大，特别是低渗透砂岩油藏及灰岩裂缝性油藏等以前没有技术能力开发的油 藏，现在可以通过特殊工艺进行开发，管外封隔器完井适用大部分油藏和井型，特别是 3 第一章绪论 碳酸盐、低渗透油层和水平井、分支井等应用该完井工艺可完全避免水泥浆、 地层的污染。 管外封隔器逐渐成为固完井技术【1 8 1 的一种重要工具，随着油气田开发、生 已经成为目前完井技术研究的热点。 ( 2 ) 常规封隔器的应用及存在的问题 丫 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 遇油膨胀封隔器的优势 遇油膨胀封隔器可封隔不规则井壁的气窜或串槽通道，具有作业简便、裸眼封隔可 靠性高、良好的油气窜流性能等优点，能有效降低完井作业成本【2 6 1 ，是未来封隔器的发 展方向。 相比较常用封隔器，遇油膨胀封隔器有明显的优势，具体体现在以下方面： 1 ) 能持续膨胀至限制其膨胀的环境形成，与井眼的形状关系不大； 2 ) 可以封隔不规则井壁； 3 ) 与酸、碱、盐不敏感，耐腐蚀； 4 ) 适用于高温高压条件，使用温度在2 0 c 2 0 0 之间，最低承压差2 0 m p a ； 5 ) 胶筒具有自我修复功能，即使胶筒在下井过程中微损，也可以达到预期的膨胀 封隔； 6 ) 结构简单，无移动件，经久耐用； 7 ) 无需增加额外设备和现场人员，无送放工具，不占用钻机时间，大大节省了固 井成本。 ( 2 ) 遇油膨胀封隔器的应用 遇油膨胀封隔器主要用于替代常规裸眼封隔器，既可以辅助加强水泥环对地层的封 隔，也可以直接代替水泥环对套管与地层之间的环空进行封隔，用于非常规固井替代注 水泥工作【2 7 】，现在广泛应用于复杂层位封耐2 8 1 、控水堵水【2 9 1 、储层改造【3 们、智能完井【3 1 】 等领域。 遇油膨胀式封隔器主要应用在裸眼井内，概括其主要用途包括以下几个方面： 1 ) 可封堵气窜或串槽通道，封隔不规则井壁。 2 ) 代替常规管外封隔器，对裸眼水平井分段封隔3 2 1 、分层采油； 3 ) 具有耐高温、高压特性【3 3 】，可进行水平段的分段压裂工作； 4 ) 替代水泥浆固井，进行小间隙固井。 5 ) 遇油膨胀封隔器+ 机械液压滑套的综合应用，进行找水、堵水作业【3 4 1 ； 6 ) 遇油膨胀式封隔器适用于裸眼直井、斜井和水平井，油井、气井和水井完井【3 5 1 过程中封隔环行空间，同普通管、防砂筛管和砾石充填等联合使用进行完井作业。 3 ) 遇油膨胀封隔器的研究现状 目前，世界上仅有哈里伯顿、贝克休斯、威德福等几个少数公司拥有该项技术，通 过对以上遇油膨胀封隔器的应用介绍，可以发现，国外对遇油膨胀封隔器的研究涉及了 5 第一章绪论 膨胀特性实验、应用及推广等多个方面。 由于s w e l l p a c k e r 的诸多优势，近年来很多国内油田引进了威德福、哈里伯顿的 s w e l l p a c k e r ，并且取得较好的应用效果。但是s w e l l p a c k e r 进口价格昂贵，一只封隔器 可达到3 0 万元，大大限制了该技术的推广和应用。 2 0 0 7 年华北油田橡胶研究所立项开始研究遇油膨胀橡胶，至今为止已完成了3 种尺 寸的遇油膨胀封隔器的研制，初步完成了室内实验，但研究不够系统。 2 0 0 8 年1 1 月中旬，中石化勘探开发研究院自主研发了遇油膨胀式封隔器，在冀东 油田高浅南区g 1 6 0 p 1 3 成功下井，并顺利进行了现场试验【3 6 】，之后几年国内学者明显 加强了对s w e l l p a c k e r 的研究。 徐鑫、魏新芳、于金陵 2 4 】介绍了遇油遇水自膨胀封隔器的的工作原理，并自主制 成遇油遇水膨胀封隔器，具有膨胀率高、充填效果好、操作简单等优点。室内拉力试验 和地面承压试验及现场应用表明，遇油遇水自膨胀封隔器达到了设计要求，能满足现场 需要。 沈泽俊、高向前等【3 刀自行研制了遇油白膨胀封隔器，研制的封隔器具有可靠性高、 通径大、自动补偿环空间隙、现场作业简单等优点。通过室内试验与现场应用表明，遇 油自膨胀封隔器可延长油气井的生产寿命，提高油气田采收率，降低开发成本。 王兆会、曲从锋【3 1 】介绍了遇油气膨胀封隔器在智能完井系统中的应用，指出遇油 气膨胀胶筒具有自愈合能力，在智能完井系统中，控制线、传输线可以在不切割、拼接 的条件下镶嵌入封隔器胶筒中，这样既节省时间又增加了系统的稳定性。 普光高含硫气田在汶川大地震下数十口井的生产套管在较短时间内发生了不同程 度屈曲变形，制约了一体化采气管柱配套的常规封隔器下井，为此石俊生、古小红等【3 8 】 提出使用常规封隔器加遇油膨胀封隔器的新型一体化采气管柱作业完井，这种完井结构 既保证了井筒的完整性和环空密封性，同时又解决了气井酸化压裂和套管腐蚀的问题， 为类似套管变形井的修井、高含硫气田的开发工程探索了一条新的技术途径。 近几年辽河油田为提高兴古潜山油藏区块的开发效果，布置了较多的水平井，但在 水平井完井过程中尾管段常发生封隔失效的问题，为提高该区块水平井完井技术和工具 的适应性，王宇【3 9 】进行了遇油膨胀封隔器的完井试验及水平井分段完井综合试验。试验 结果表明：遇油膨胀封隔器封隔效果较好，遇油膨胀封隔器的使用及分段完井技术的应 用，可以有效减少完井作业时间，提高完井效率。 6 ， 丫 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 4 目前研究存在的不足 ( 1 ) 对遇油膨胀封隔器的膨胀机理研究尚未成熟，缺少膨胀橡胶的膨胀特性研究， 缺少对石油领域膨胀橡胶材料的优选。 ( 2 ) 目前都是通过经验决定遇油膨胀封隔器胶筒的结构，没有相关专门针对胶筒 封隔性能而设计胶筒结构的研究。 ( 3 ) 目前封隔器的研究缺少对地层的考虑，缺少地层与封隔器适应性研究，即都 是没有把地层类型的因素和地层压裂的可能性考虑在内。 1 3 研究内容 论文主要进行一下四个方面的工作： ( 1 ) 遇油膨胀封隔器的膨胀机理分析 ( 2 ) 遇油膨胀橡胶的膨胀特性实验研究 1 ) 针对目前存在的遇油膨胀的橡胶，优选出可以在高温高压条件下并且可以在井 下长期工作的遇油膨胀橡胶材料。 、 2 ) 进行遇油膨胀橡胶的膨胀特性实验总结，通过改变原油组份( 原油酸碱度、原 油中酸的种类、原油盐浓度) 来进行遇油膨胀橡胶的膨胀实验。 根据遇油膨胀橡胶的膨胀特性研究，得出遇油膨胀橡胶材料的膨胀率为胶筒结构的 优化提供依据。 ( 3 ) 遇油膨胀封隔器的封隔性能分析 用有限元分析的方法，建立封隔器在井下压差下的有限元力学模型，进行遇油膨胀 封隔器膨胀后的封隔性能的分析。具体内容如下： 1 ) 介绍封隔器胶筒的物理模型和本构关系； 2 ) 建立胶筒的有限元力学模型，包括网格划分、载荷及边界条件等。 3 ) 应用有限元分析中的超弹性理论和接触理论，研究不同压差下封隔器胶筒与套 管之间的接触压力，以此判断封隔器密封的有效性。 4 ) 分析计算胶筒膨胀后的相同胶筒长度、不同过盈厚度下胶筒与套管之间的接触 应力，分析封隔器胶筒的封隔性能。 5 ) 分析计算胶筒膨胀后的相同过盈厚度、不同胶筒长度下胶筒与套管之间的接触 应力，分析封隔器胶筒的封隔性能。 ( 4 ) 不同岩性地层的s w e l l p a c k e r 胶筒结构优化 1 ) 进行s w e l l p a c k e r 与地层的适应性研究，分析地层与胶筒接触压力的相互影响， 7 2 ) 结合遇油膨胀橡 拟采用技术路线见图1 - 1 所示。 图1 - 1 技术路线 f i e l - 1t e c h n i c a lr o u t e 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章遇油膨胀封隔器的膨胀特性 2 1 遇油膨胀封隔器的膨胀机理分析 遇油膨胀封隔器的结构比较简单，即是一层遇油膨胀橡胶硫化在套管之上，如图2 - i 所示。 遇油膨胀橡胶属于亲油性功能高分子材料，是在传统橡胶基体上嵌入亲油性官能团 或亲油性组分而制成的。遇油膨胀封 隔器是基于橡胶遇油膨胀的特性【2 3 1 设 计而成的，当遇油膨胀橡胶与油接触 时，橡胶的热动力特性使内部亲油性 高分子结构扩张容许液态烃进入，与 橡胶中亲油性高分子形成极强的结合 力( 液态烃分子的渗透压差) ，由于 亲油性高分子不断吸收液态烃分子， 橡胶发生弹性膨胀，橡胶内部的高分 子网络的弹性收缩力( 橡胶材料的抗 形变力) 又力图将液态烃分子挤出 去。在这个过程中，渗透压差逐渐减 小，抗形变力逐渐增大，当这两种相 反的作用达到相对平衡时，遇油膨胀 橡胶达到吸油溶胀平衡h 0 1 。 遇油膨胀橡胶的膨胀能使体积 增加数倍，从而达到封隔管外环空空 间的目的。遇油膨胀封隔器膨胀过程 如图2 2 所示。 膨胀胶筒 s w e l l p a c k e r ， 曩 图2 - 1 遇油膨胀封隔器结构示意图 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r es k e t c ho fs w e l l p a k e r 势馥 ， 赫茂可穆臻壤款 ：一j i i - 一】 图2 - 2 遇油膨胀封隔器膨胀过程示意图 f i 9 2 - 2s w e l l i n gp r o g r e s so fs w e l l p a k e r 从图2 2 可以看出橡胶的膨胀过程为：当遇油膨胀封隔器下入到井下目的位置后， 当橡胶遇到合适液体时，橡胶会发生吸油或气膨胀，由于胶筒两端面首先暴露于油气的 环境中，而且吸收区域面积较大，因此膨胀时首先是两端膨胀至井壁，随后中间再膨胀 贴至井壁。 9 第二章遇油膨胀封隔器的膨胀特性 2 2 膨胀特性实验分析 2 2 1 遇油膨胀橡胶优选 ( 1 ) 膨胀橡胶的合成原理 在井下存在的地层流体众多，如盐酸、有机酸类、原生有机酸、螯合剂、氧 其他合成物，封隔器胶筒在井下膨胀中要处于这些地层流体之中，并且随着深井 井的发展，井下的温度压力越来越高，遇油膨胀封隔器要求能够适应井下的高温高压等 复杂流体环境。因此，需要对用于遇油膨胀封隔器上的膨胀橡胶材料进行优选。丫 首先，遇油膨胀橡胶材料要求要有高的膨胀率，以完成井下的有效封隔，目前的主 要措施是在橡胶中引入亲油性集团【4 l 】，制备出强性吸油膨胀橡胶。 在橡胶中增加亲油性集团的数量可以大大增强橡胶的吸油膨胀性能，有两种方法： 一是在橡胶分子链上接枝吸油性集团，这种方法工艺复杂，实施困难，目前使用很少； 二是通过在橡胶中加入高吸油树脂来增强橡胶的吸油膨胀性能，通过物理共混法与橡胶 共混处理，此法简单易行，使用广泛。但存在一个缺点，即三维网状吸油树脂难以均匀 分散到橡胶基体中，此问题解决方法建议采用以下几种途径：一是基体材料的优选与改 性；二是对增溶剂进行改性；三是适当使用助剂。 ( 2 ) 特种氢化丁腈橡胶 优选出的遇油膨胀封隔器橡胶材料要有较高的橡胶的吸油膨胀速度和膨胀率，同时 能够满足井下高温高压等复杂流体环境的要求，总体的目标范围可以选自包括非极性橡 胶和极性橡胶在内的各种遇油膨胀橡胶。 非极性橡胶主要是天然橡胶、丁苯橡胶等，极性橡胶主要有丁腈橡胶、氢化丁腈橡 胶、氟橡胶等。 目前应用于石油领域的遇油膨胀橡胶主要是特种氢化丁腈橡胶。 ( 3 ) 遇油膨胀橡胶的合成案例【4 1 】 j 1 ) 优选含量 橡胶基体的优选含量为1 0 0 1 5 0 重量份、淀粉( 甲基) 丙烯酸酯接枝共聚物优选为 2 0 5 0 重量份、硫化剂的用量优选为2 1 0 重量份、硫化促进剂的用量优选为0 5 1 0 重量份。 在以上优选方案的基础上，要想膨胀橡胶具有更好的加工成型性能、机械性能等， 还应包含适量的填充剂如炭黑、防老剂如醛胺反应物和增塑剂如丁腈橡胶丁二烯橡胶 等橡胶助剂。 2 ) 加工成型 1 0 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 遇油膨胀橡胶可以通过物理混炼法获得，然后采用平板硫化机或硫化罐进行硫化处 理，以获得更加优良的力学性能。 ( 4 ) 遇油膨胀橡胶的力学性能 遇油膨胀封隔器的胶筒除了要求高的膨胀率和优良的膨胀特性外，最基本的是具有 良好的力学性能来保证其井下高温高压工作的可靠性。徐鑫，魏新芳等【2 4 】进行了遇油膨 胀橡胶的拉伸试验，实验结果如表2 1 所示。 表2 - 1 遇油膨胀橡胶拉伸试验 t a b 2 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s w e l lr u b b e r 序号厚度m m邵氏硬度最大拉力n 拉伸强度m p a l2 4 17 82 8 3 1 9 6 22 3 98 02 8 21 9 7 3 2 4 08 12 8 l1 9 5 由表2 1 可知遇油膨胀橡胶邵氏硬度中值8 0 ，拉伸强度中值1 9 6 m p a 。 2 2 2 遇油膨胀橡胶的膨胀特性实验分析 遇油膨胀封隔器的非常大的优点就是入井非常简单，直接随套管下入即可，但是在 下井过程中地层流体的污染会影响到封隔器胶筒的预期膨胀效果。因此需要加强对遇油 膨胀封隔器的膨胀特性研究的实验总结，总结出遇油膨胀橡胶的膨胀特性，以根据实际 的地层流体性质和油气性质而合理的选择遇油膨胀封隔器。 目前国内外对遇油膨胀橡胶的研究主要集中于室内实验，其中以a 1 - y a m i ，s a u d i a r a m c o 等人所做室内实验【4 2 】最具有概括性和代表性，他们的实验温度控制在9 0 。c 左右， 把橡胶浸泡在六种具有不同的粘度、比重和化学成分油样之中，测试了遇油膨胀橡胶材 料在不同酸、盐分、含砂量等环境中的遇油膨胀实验。 ( 1 ) 实验装置 图2 3 是实验装置的结构简图。实验装置系统在9 0 。c 下所加压差可达到2 0 m p a ，为了 保证最大压差不超过2 0 m p a ，中间安装了一个压力阀门。因此通过这个装置可以模拟膨 胀封隔器在井下环境( 温度、压力、地层流体等) 中的膨胀过程。 第二章遇油膨胀封隔器的膨胀特性 图2 - 3 实验装置的结构简图 f i 9 2 - 3s t r u c t u r es k e t c ho fe x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 注：图中序号。为实验步骤。 ( 2 ) 实验步骤 首先打开顶盖把封隔器放入装置的正确位置； 插入封隔器，中心管要插入底盖； 把装置内装上油样，关闭流出阀，打开流入阀； 正排量泵连接到流入阀，将油样挤入装置，排除装置内空气； 打开流出阀和流入阀，加压至地层压力； 膨胀封隔器的温度加温至地层目的温度； 在膨胀封隔器已经进行压力测试的时候，在安全阀下面装一个玻璃瓶，用来盛放 多余的流体，将泵压作用于浮式活塞，从而保持流入阀的恒压差2 0 m p a ； 关闭流入和流出阀； 打开流出阀，释放压力降。压力降低的大小就是封隔器所能承受的上下压差大小； 测试压力降的大小：即流入和流出阀的压力差。 ( 3 ) 实验结果 1 ) 重油油样成份分析 实验温度为9 0 ，压差2 0 m p a 。测试遇油膨胀膨胀封隔器重油油样如表2 2 所示。 由表2 2 中数据可知，六种油样在碳氢化合物百分比、芳香烃化合物百分比以及元 素n 、s 、o 的化合物百分比、粘度、密度等方面均存在差异，能够较全面的代表不同 油样性质的差异。 1 2 7 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 _ 2 实验油样成份分析表 t a b 2 - 2 a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lo i l 采集油样的区域碳氢化合物，芳香烃化合物，n 、s 、o 化合物，粘度，c p密度，咖m 3 s h a y b a h 地区( 沙特) 6 3 4 23 1 8 84 7 02 7 9o 7 6 s f n y 地区( 沙特)3 4 5 54 9 7 21 5 7 32 8 2 2o 8 8 m r j n 地区( 沙特 4 1 8 54 3 6 91 4 4 69 7 80 8 6 z u l u f 地区( 沙特) 3 6 8 74 5 1 01 8 0 43 4 5 20 8 9 h r d h 地区( 沙特 3 9 8 84 7 1 11 3 0 18 7 8o 8 6 n y y m 地区( 沙特8 2 8 8 1 1 7 2 5 4 11 0 8 l0 7 6 2 ) 酸性实验 实验温度为9 0 ，实验所采用s h a y b a h 地区的油样，实验方法是首先将样品放到原 油中浸泡2 4 小时，记录样品浸泡在原油中膨胀后的尺寸，计算出样品在该油样中的体 积变化；之后