金属密封封隔器的研究进展

金属密封封隔器的研究进展

封闭器是一种用于原油开采、注水油挤出量的工具。传统的封隔器有支撑式、卡瓦式、皮碗式、水力扩张式、水力压缩式、水力自封式、水力密封式、悬挂式等8种系列和多个种类,均依赖于橡胶筒作为密封件,存在着技术缺陷。世界范围内新兴的金属密封封隔器的相继开发研制成功,使封隔器体系扩大到了9种系列。且金属密封封隔器系列中已拥有2种亚类——易熔金属密封封隔器和超弹性金属密封封隔器,其密封原理各有特色,前者是焊接式,而后者是膨胀式。超弹性金属密封封隔器已在国内部分油田试用,取得了明显效果,且逐步被部分市场所认可,尤其是东部地区许多油气田处于高含水开采期,推广应用前景较好。金属密封封隔器的开发研制不断成为热门,专业学术交流不断升温,探讨推广应用技术配套、自主创新开发研制,已成为众多专业技术人员的重任。1胶筒密封件分层采油、分层注水驱油增能,均得采用封隔器于井筒内封隔油套环空,方可实现分层井下作业的目的。随着采油井、注水井深度的增加,作业地层的温度最高已>150℃,腐蚀介质的性能增强,入井封隔器应处理的载荷能力也相应增加。传统的封隔器仅仅依赖于橡胶筒进行油套环空封隔,只能适应于地层温度<120℃、腐蚀介质性能较低、工作压力负荷<50MPa的条件,且有效工作时间明显缩短,密封胶筒往往存在着不解封、胶筒破裂、起钻时拉翻等现象,甚至于胶筒破裂后,其中的热敏金属碎块脱落,以至于造成井下恶性卡钻,处理的技术难度和工程费用均很大。往往因传统的封隔器中心管普遍偏小,影响相关的施工作业。胶筒密封件对于套管严重变形井,难以起到油套环空封隔的作用。OAO“Сйбйнкор”提出了用于开采井和注水井的易熔金属密封封隔器,其密封件采用易熔合金制成,在加热的作用下,易于被熔化,将封隔器本体的外壳与井下套管内壁焊接起来,从而达到封隔油套环空的目的,其中入井管串是悬挂进行。由此可知,解封或修复焊接裂口时,均只需用普通电缆送入加热器加热便可实现。随后出现的另一种金属密封封隔器,其密封件采用超弹性合金制成,当入井管柱在预定位置被锚定时,锥体承受管柱的应力负荷迫使超弹性密封件横向膨胀,实现封隔油套环空的目的。其工作原理是膨胀式,有别于易熔焊接式。但2种密封件的合金均属于高科技材料。用此合金进行密封,克服了传统封隔器的致命弱点,提高了其使用性能,创造了封隔器中心管大通径的条件。特别是超弹性合金(NiTi)具有形状记忆与超弹性的特征,井内的热变化可引起NiTi合金的形状记忆效应,以其承受的应力能够诱发超弹性。其解封时,如需要加热降低硬性时,只要卸去管柱应力负荷,NiTi合金即密封收缩恢复原状,达到解封的目的。2结构组成和工作原则2.1与多种工具的配合易熔金属封隔器技术的公开报道很少,且国内尚未引进。此类封隔器主要由易熔金属密封件和封隔器主体构成,其中封隔器的中心管内径只有ϕ50mm,外径为ϕ122mm,单个封隔器的长度仅有500mm。与多种工具配套使用时,组装的工具管串结构长度为1500mm,单重100kg。封隔器要与扶正器(上)、旋转阻流器(上)、扶正器(下)、旋转阻流器(下)、短节、分流阀、收集器配套为紧凑的整体,方便使用。使用操作程序简单,入井不要求使用水力锚和卡瓦,坐封和解封不需要油管柱,油管悬挂井中不必坐卡瓦。用普通电缆把加热器下放到井中封隔器位置,通电后使加热器工作,迫使易熔合金密封件熔化;冷却时将封隔器本体外壳与套管壁焊接起来;解封或修复焊接裂口时只需重复加热工序即可。2.2丢失手总成单元超弹性金属封隔器工作系统由NiTi合金密封体、锥体(卡瓦锚)、工作简、中心管组成,中心管通径可达ϕ90mm,便于相关作业。使用时,视井的施工目的的灵活搭配相关入井工具。通常的组装配套有:动力坐封系统,包括坐封套和拉杆;丢手总成,包括释放套、夹头体、弹簧爪、拉杆;配套系统,包括插入管柱和解封打捞工具。使用操作程序较易熔金属封隔器复杂,且技术性更强。动力坐封系统将大小相等、方向相反的2个机械力通过坐封套由拉杆的传递作用分别作用于锥体和工作筒上,使锥体相对于NiTi合金密封体向下运动,于是便将密封体胀大,从而密封油套环空。当机械力达到一定值时,释放套便被拉断,丢手总成进入工作状态,完成丢手。解封时,因合金密封体在地面就在真空条件下进行了热处理,因此可使其硬度降低,易于显现出超弹性,且不被氧化变质。解封需先用专用打捞工具把插入的密封段起出,然后用油管携带专用打捞工具下入到封隔器固定的位置,上提捞矛将锥套起出,继而用专用工具将封隔器主体一起整体取出。3超弹性金属密封封隔器易熔金属密封封隔器的密封件所承受的最大压差为70MPa,封隔器所能承受的最大纵向负荷为900kN,适用于地层温度不高于180℃。超弹性金属密封封隔器的密封件耐压差35MPa,封隔器的悬挂力≥200kN,解封力需要180kN,封隔器适用于地层温度≥150℃,特别是密封件上部加工有3道凸脊,确保其封隔油套环空的作用,且不破裂。以上2种亚类金属密封封隔器的共同特性就在于耐高温、耐压力、耐腐蚀、封隔性能强、技术配套性好,因而具有明显的实用性和推广应用价值。其开发研制方案为技术创新,其密封合金为高科技材料。4研究完善易熔金属密封封隔器a)超弹性金属密封封隔器在国内已处于试用阶段,尤其在国内东部地区高含水油田中的推广应用前景看好,但需要有推广应用专业技术服务队,并进行技术培训、指导。允许用户先在少数井中试用。b)要进一步掌握易熔金属密封封隔器的原理并进行再创新和前期技术引进。c)对超弹性金属密封封隔器要立足于扩大推广应用范围,关键在于产品规格系列化、并与相关工具配套。d)为提高密封件合金的实用性能,可将稀土防腐技术和纳米材料列入开发研究的方向,以扩大应用领域和范围。探讨将超弹性合金密封件用于多种原有的封隔器中,取代部分橡胶筒,并尝试将超弹性合金丝网用于传统封隔器胶筒加工中。e)有多种油管锚定方法,除自锁式取得发展外,无卡瓦的液压锁紧是一种新技术,可为超弹性金属密封技术的应用提供基础。f)金属密封封隔器在压裂酸化领域中应用金属密封封隔器是未来技术攻关的重点。5被动局面金属密封封隔器1)金属密封封隔器的开发研制和推广应用,充分利用了易熔合金、超弹性合金等高科技材料的耐高温、耐大压差、耐腐蚀等特性,改变了传统橡胶密封的被动局面,体现了其中心管大通径的特点金属密封封隔器已成为封隔器体系中的第9系列。2)金属密封封隔器适宜于分层采油、分层注水,可满足分