儲氣庫用大尺寸可溶封隔器研制及試驗

王江寬 賀夢琦 董奇瑋 劉全和 鐘喜東 曾文波 徐健

在儲氣庫不壓井作業中，常規封隔器存在綜合成本高、尺寸受限、溶解效果差等問題。為此，研制出一種適用于外徑177.8 mm套管的大尺寸可溶封隔器。根據相關技術要求和生產需求，對該封隔器關鍵部件進行力學計算校核，對主體結構參數進行優化設計，在模擬地層液、KCl溶液以及檸檬酸溶液中，對配比出的鎂鋁合金進行室內溶解試驗，并對主體結構力學性能進行仿真分析。分析結果表明：該封隔器可滿足在3～15 d內儲氣庫封隔要求，并且其溶解速率高效可控；封隔器材料溶解速率約為10～35 mg/（cm2·h），溶解速度較為平穩且可控；加工樣機通過室內承壓試驗，此封隔器可在90 ℃下承壓40 MPa，滿足現場作業要求。所得結論可為儲氣庫大尺寸暫堵技術研究及現場作業施工提供技術參考。

儲氣庫；可溶封隔器；結構設計；溶解速率；仿真分析；承壓試驗

Development and Test of Large-Sized Soluble Packer Used in Gas Storage

In the snubbing operation of gas storage，conventional packers have problems such as high composite cost，limited size and poor dissolution effect.A large-sized soluble packer suitable for 177.8 mm O.D.casing was developed.According to relevant technical requirements and production demands，mechanical calculations and verifications were carried out on the key part of the packer，and optimization design was carried out for the main structural parameters.Moreover，laboratory dissolution tests were conducted on the prepared magnalium in simulated formation fluid，KCl solution and citric acid solution，and simulation analysis was conducted on the mechanical properties of the main structure.The analysis results show that the packer can meet the packoff requirements of gas storage within 3～15 days，and its dissolution rate is efficient and controllable.The dissolution rate of the packer material is about 10～35 mg/（cm2·h），and is relatively smooth and controllable.The processed prototype has passed laboratory bearing test，and the packer can withstand a pressure of 40 MPa at 90 ℃，meeting the requirements of field operations.The conclusions provide technical reference for the research and field operation of large-sized temporary blocking technology in gas storage.

gas storage；soluble packer；structural design；dissolution rate；simulation analysis；pressure test

0 引 言

封隔器是油氣田開采過程中一種十分重要的井下暫堵工具［1］。作為在油氣田開發重要環節中使用的工具，在儲氣庫中的大尺寸套管內的封隔器往往不可溶，在實現坐封之后，需下入打撈工具回收，存在一定局限性，作業繁瑣，費時費力，綜合成本較高。因此，急需研制出大尺寸可溶封隔器以解決此類問題。

自20世紀60年代起，封隔器重要性開始在世界范圍內體現［2］。斯倫貝謝以及貝克休斯等公司對封隔器的科學研究逐漸成熟，封隔器產品專業化、標準化水平不斷提高，成為當時各國高新技術戰略裝備產品［3］。國內封隔器系統技術研究相對冗雜。文啟堯［4］推導封隔器微分方程并求解，求出橡膠筒與套管壁相互接觸時的壓縮變形量；劉傳剛等［5］以三膠筒封隔器為研究對象，分析膠筒與套管間接觸應力對密封性能的影響；張麗娟等［6］對封隔器的膠筒結構、安裝方式以及肩部形狀進行了一定的改進。但國內對于一些特定用途的封隔器研究較為欠缺，對于外徑177.8 mm（7 in）套管的可溶封隔器研制處于空白階段；可溶封隔器大多是在小尺寸套管中使用，且難以實現完全可溶，封隔器在大尺寸套管內的溶解性問題還無法解決。

儲氣庫具有強注強采，壓力頻繁波動的特點。由于井下施工環境多變，其存在各種泄漏問題，難以保證密封效果，所以導致檢測診斷工作無法順利開展。針對此類大尺寸不壓井暫堵工具的研究與應用較少，需對工具結構進行優化設計，同時還應對可溶材料進行試驗測試評價。

為滿足儲氣庫外徑177.8 mm套管內暫堵的現場需求，本文提出一種大尺寸可溶封隔器的設計結構，并對其進行了參數優化，不僅保證了其坐封性能，且使其具有加工方便、經濟效益更高等特點。此外，測試了可溶材料在不同助溶劑下的溶解性能，實現了可控溶解。所研制的封隔器室內整機測試結果滿足作業要求，可為后續的現場應用提供技術支撐。

1 可溶封隔器技術分析

1.1 結構設計與工作原理

根據儲氣庫不壓井作業的設計要求，分析各部件承載能力，并對其尺寸進行設計，在現有的封隔器產品基礎上，提出雙卡瓦、三膠筒的結構，建立三維模型。

針對在大尺寸套管內的實際應用情況，將上接頭與承壓環設計為一個整體，考慮到此設計應用于大尺寸套管內，應使其能固定在井壁上而不發生周向移動。上、下錐體與卡瓦相連，錐面斜度保持一致；剪斷剪釘后，膠筒壓縮，卡瓦向外均勻擴張；雙卡瓦結構保證了卡瓦牙與套管間的緊密咬合且不會損傷井壁；同時錐面螺紋鎖緊機構保證封隔器的坐封狀態，防止其回彈。接頭與中心管間用銷釘固定，避免出現提前坐封問題。三膠筒結構可以增加接觸應力，中心管用厭氧膠連接以加強墊環，螺紋封堵下端。整體可上端驗壓，下端承壓，以實現封隔作用。

封隔器設計結構如圖1所示。

根據坐封要求，將封隔器與適配裝置相連，提拉管柱后下放，在套管內壓作用下，卡瓦張開，其齒粒與套管間咬合，錨定在套管壁內壁；同時剪釘自上而下依次被剪斷，形成環空密封，坐封完成。待工作完成后可擊落盲板，建立生產通道，通過注入溶解液，實現封隔器可控溶解。對各部件分析計算，確定合適的膠筒尺寸及卡瓦牙型傾角，以滿足錨定密封需要，從而提高封隔器坐封性能。

1.2 主要技術參數

此封隔器設計目的在于在外徑177.8 mm套管內實現封隔功能，將其密封于內徑158 mm的氣井中，封隔器與套管壁間徑向間距為5 mm左右，因此確定工具的最大外徑為146 mm，工具長度為616 mm。為使封隔器能夠滿足35 MPa的壓力，以保證坐封力，設計坐封壓力為40 MPa，錨定力可達160 kN。

針對可溶材料，優化封隔器結構。此工具采用三膠筒結構，其邵氏硬度為70 HA。在上、中、下膠筒之間分別設置特定傾角的隔環配合，防止肩突現象的發生。橡膠材料屬于高度非線性復合材料［7］，結合膠筒與密封組件的結構設計，初步確定膠筒的外徑為144 mm，為保證膠筒與套管內壁的密封性，應對結構參數進行優化，以實現膠筒與套管間可靠密封。

根據封隔器設計手冊得到膠筒長度的計算公式［8］：

式中：h為膠筒長度，mm；Δp為膠筒受到的軸向壓力，Pa；Rt套管內半徑，取值為79 mm；R1為膠筒外徑，取值為73 mm；［τ］為膠筒的許用剪切應力，取值為3 MPa；f為套管與膠筒間的摩擦因數；p0為初始壓力，Pa；μ為泊松比，取值0.49［9］。

由式（1）可求得最小膠筒長度h=67.3 mm，取膠筒總長度為h=140 mm，其許用剪切應力的安全系數可算出大于1.5，膠筒選用合格。此時，選取隔環角度為135°，以保證其有效密封長度。因此最終確定膠筒長度140 mm，厚度24 mm。

上、下卡瓦均采用嵌入式結構?？ㄍ哐貓A周方向分為8瓣，表面鑲嵌氧化鋯陶瓷顆粒與硬質合金粒。為計算可溶封隔器中卡瓦的承載能力，校核卡瓦牙與套管之間的接觸應力，對卡瓦齒槽結構進行優化［10］。通過分析比較不同卡瓦牙型角對錨定性能的影響，計算出不同條件下卡瓦與套管間的接觸應力，根據實際工況下的坐封壓力，通過優化設計，確定牙型。

取一瓣卡瓦，可得靜力學方程［11］：

式中：σ為在坐封時卡瓦受到套管壁的坐封壓力，Pa；FZ為單瓣卡瓦受到的有效坐封力，N；A為卡瓦牙與套管內壁接觸面積，mm2；γ為牙型傾角，（°）。

由式（2）計算可知，在70°牙傾角下應力較大，且卡瓦牙承受單向載荷能力較強，此時卡瓦錨定穩定，且不會對套管產生損傷。

坐封時，在此封隔器上端設計丟手的剪斷銷釘，其材質為H62，其抗剪極限強度為330 N/mm2。銷釘數量n=6個，則有［12］：

式中：d為銷釘的直徑，mm；τ為材料抗剪強度，MPa；F為剪切力，N。

根據式（2）、式（3）可得設計剪斷銷釘的動作壓力為40 MPa，解封銷釘直徑為7 mm，長度為16 mm。滿足封堵要求后，銷釘斷裂，實現坐封。

2 關鍵技術分析

鋁合金作為強度高、加工性好的可降解材料，具備良好的市場應用前景。根據實際工況技術要求，對此封隔器主體材料進行制備、試驗研究，以實現溶解速率的有效調控。根據現有的井下暫堵可溶壓裂球技術，優化成分配比，采用耐高溫高溶解率的合金，確定單個樣塊的成分比例如表1所示。其力學性能如表2所示。

遼河地層水質礦化度為2 000～3 500 mg/L［13］，據此可配置模擬地層液，質量分數為3%的KCl溶液和3%檸檬酸溶液，分為3組進行試驗。設置恒溫水浴溫度為90 ℃，并將放有樣塊的燒杯置于水浴槽中，進行溶解性能測試。

對于模擬地層液腐蝕質量分數的試驗組，對樣塊每隔5 d進行觀察，吹干后稱重，確定其溶解進度。通過試驗可知，在模擬地層溫度與腐蝕度的條件下，鎂鋁合金樣塊在第10 天僅表層發生略微變色，樣塊結構基本無變化；在第20 天，樣塊表層發生部分隨機脫落。在此條件下，可溶材料表面會逐漸形成一種致密膜，以保證封隔器在井下的工作周期。

其他2個試驗組，用砂紙輕微打磨試樣表面雜質，在90 ℃的條件下，每隔1 h撈出烘干并稱重，觀察溶解速率。試驗可知，鋁合金樣塊在24 h內表層可發生隨機剝落，在96 h后樣塊基本全部溶解，如圖2所示。在實際應用條件下，可溶材料的溶解速率受實際工況溫度與Cl-質量分數等影響，當處于含Cl-的電解質溶液中時，其表面形成了微觀腐蝕電池，溫度越高，Cl-質量分數越大［9］，樣塊的溶解速率越快。

通過比較分析檸檬酸溶液下試件溶解進度，得到試件溶解進度隨時間的變化，如圖3所示。從圖3可知，試樣表面所形成的致密膜被腐蝕破壞，溶解速率加快。對測試的數據進行計算，得到鎂鋁合金在酸性溶解液下的溶解速率約為10～35 mg/（cm2·h）。圖4為鎂鋁合金在3種溶解液中的溶解曲線。

3 工具坐封丟手狀態有限元分析

3.1 中心管上端仿真分析

封隔器在坐封過程中，為驗證坐封可靠性，保證其承壓能力，在加工樣機前需對中心管主體進行力學分析。為此，簡化封隔器上端受力模型，并將中心管其他部分刪除。其簡化示意圖如圖5所示。

工具整體采用鎂鋁合金，確定套管之間摩擦因數為0.2，具體參數如表3所示［14］。整體結構采用六面體單元進行網格劃分，得到上接頭處所受應力云圖，如圖6所示。

本體材料屈服強度為190 MPa，經分析發現，最大應力為295 MPa，且出現在螺紋孔邊。由計算可得，此處的安全系數大于1.5，滿足其應力要求。螺紋連接處出現部分應力集中現象，但工具整體滿足其等效應力范圍，且不超過此材料最大屈服強度［10］。

3.2 中心管下端仿真分析

當工具承下壓時，由于膠筒組件形成密封，因此中心管管壁僅在膠筒以下承載工作壓力。對中心管分割處理，作用力只作用在承載壓力的表面。對下端暫堵塞受力分析，其簡化模型如圖7所示。

采用與上述相同的邊界條件與屬性參數，在中心管下端施加外部工作載荷30 MPa，得到應力云圖如圖8所示。

由于其材料屈服強度為190 MPa，圖8中心管最大應力為76 MPa，暫堵塞最大應力為 126 MPa，二者的最大應力均不超過材料屈服強度的2/3，即其安全系數大于1.5，可滿足實際工況要求。

通過仿真分析可證明，此鎂鋁合金主體的強度滿足實際工況下的承壓需求，力學性能穩定。為此，加工出實物樣機，于2022年9月在遼寧盤錦遼河儲氣庫進行了室內試驗。

4 承壓性能試驗

4.1 橡膠膠筒承壓試驗

可溶橡膠膠筒材料主要分為水溶式與降解式，這里工具設計采用氫化丁腈橡膠作為可溶橡膠的主體，通過加入聚醚基聚合物來提高橡膠的耐熱與耐壓性能［15］。制備完成后，通過試驗驗證此177.8 mm膠筒在套管內40 MPa壓差下的承壓能力。

將膠筒總成套在工裝芯軸上，置于套管中，再將整體放在壓力機上，坐封力控制在工具實際坐封力的70%左右，測出膠筒坐封距48 mm，符合實際要求。連接高壓管線，在工裝上下兩端同時加壓，壓差達到40 MPa，常溫下穩壓過程中壓降較小，試驗過程穩定。測試試驗如圖9所示。

在套管外壁纏繞陶瓷加熱片，設置90 ℃恒溫，在工裝上下端同時加壓，測試壓降如圖10所示。從圖10可知，在90 ℃高溫條件下，膠筒承壓能力良好，在15 min內壓降為0.2 MPa。泄壓拆卸后，膠筒外觀無明顯損傷，背環均勻張開，滿足現場施工要求。

4.2 卡瓦承壓試驗

可溶封隔器的卡瓦結構屬性如表4所示。

將活塞與仿錐體部分及卡瓦豎直依次放入套管中，套管兩端連接試壓堵帽，由活塞一側的堵帽進行加壓。當壓力達到1.9 MPa左右時，箍環斷裂；加壓至10 MPa，卡瓦坐封完成。按階梯加壓至40 MPa，15 min內承壓平穩。泄壓后拆開端帽，測得套管一端與卡瓦距離為62 mm；繼續加壓至50 MPa，在10 min內承壓平穩。泄壓后拆開堵帽，其距離基本不變。試驗時此工具坐封狀態如圖11所示。

卡瓦在承壓50 MPa與40 MPa時，套管內部壓力平穩，卡瓦在承壓過程中未發生明顯移動，在高壓工況下其錨定性能依舊良好。拆卸時，對套管咬痕分布均勻，對套管操作較輕，且卡瓦與卡瓦齒材料完好，無明顯破損痕跡。試驗結果如圖12所示。通過試驗驗證，仿真優化卡瓦結構后，其錨定效果良好，承壓能力滿足工況需要，穩壓過程中壓降小于1%，整體受力較為均勻。

4.3 整機性能試驗

為驗證此可溶封隔器坐封、坐封承壓及密封錨定可靠性，對其進行了功能性測試。將裝配好的工具通過坐封接頭包與坐封工具連接，將其套入外徑177.8 mm套管工裝內，水平放置，以進行常溫和高溫（90 ℃）標準承壓（40 MPa）試驗。為保證試驗坐封狀態，進行了極限承壓測試，結果如圖13所示。測試表明，壓降穩定，該工具密封性能良好。

5 結 論

（1）根據儲氣庫不壓井作業的現場需求，設計了適用于外徑177.8 mm套管，外徑146 mm的大尺寸可溶封隔器，并對整體結構及卡瓦、膠筒等關鍵部件進行了仿真分析與優化設計。

（2）設計工具可滿足3～15 d內儲氣庫封隔要求，并且其溶解速率高效可控?；谌芙獠町愋岳砟钆c優化溶解性能目標，材料溶解速率約為10～35 mg/（cm2·h），溶解速度較為平穩且可控。

（3）開展了室內封隔器整機的承壓試驗，所研制的可溶封隔器可以滿足現場工況要求。

［1］ ?陳家元．完井封隔器卡瓦和膠筒力學行為分析及結構優化設計［D］．西安：西安石油大學，2015．

CHEN J Y.Mechanical behavior analysis and structure optimization on slips and rubber of well completion packer［D］.Xian：Xian Shiyou University，2015.

［2］ 朱正喜．頁巖氣井可溶橋塞工具研制及應用［J］．長江大學學報（自科版），2019，16（11）：52-55．

ZHU Z X.Development and application of soluble bridge plug tool for shale gas wells［J］.Journal of Yangtze University （Natural Science Edition），2019，16（11）：52-55.

［3］ 萬小勇，李林濤，黃傳艷，等．可取式液壓封隔器耐高溫膠筒優選與試驗研究［J］．石油機械，2018，46（12）：88-93．

WAN X Y，LI L T，HUANG C Y，et al.Selection and experimental study of high temperature rubber for retrievable hydraulic packer［J］.China Petroleum Machinery，2018，46（12）：88-93.

［4］ 文啟堯．卡瓦支撐式封隔器坐封數據計算［J］．石油鉆采工藝，1984（1）：75-78，82．

WEN Q Y.Calculation of setting data of slip supported packer［J］.Oil Drilling & Production Technology，1984（1）：75-78，82.

［5］ 劉傳剛，王世強，馬認琦，等．海上熱采耐高溫三膠筒結構封隔器設計及性能評價［J］．鉆采工藝，2022，45（6）：118-122．

LIU C G，WANG S Q，MA R Q，et al.Design and perfomance evaluation of a tri-tubing for thermal packer with high temperature resistance in offshore wells［J］.Drilling & Production Technology，2022，45（6）：118-122.

［6］ 張麗娟，趙廣民，趙粉霞，等．壓縮式裸眼封隔器的研制與應用［J］．石油機械，2012，40（12）：82-85．

ZHANG L J，ZHAO G M，ZHAO F X，et al.Development and application of the compression open hole packer［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（12）：82-85.

［7］ 徐剛，張斌，李進，等．244.5 mm套管三膠筒隔離封隔器研制［J］．石油礦場機械，2020，49（1）：60-63．

XU G，ZHANG B，LI J，et al.Development and test of isolation packer with three rubber used in 244.5 mm casing［J］.Oil Field Equipment，2020，49（1）：60-63.

［8］ 聞邦椿．機械設計手冊［M］．5版．北京：機械工業出版社，2010．

WEN B C.Manual of mechanical design［M］.5nd ed.Beijing：China Machine Press，2010.

［9］ 郝地龍，何霞，王國榮，等．整體式卡瓦齒槽結構優化［J］．工程設計學報，2019，26（5）：534-543．

HAO D L，HE X，WANG G R，et al.Structure optimization of integral slip groove［J］.Chinese Journal of Engineering Design，2019，26（5）：534-543.

［10］ 華琴．高溫高壓深井試油與完井封隔器卡瓦力學性能分析［J］．石化技術，2019，26（11）：328-328，326．

HUA Q.Kaval mechanical performance analysis of high temperature and high pressure deep well testing and completion packers［J］.Petrochemical Industry Technology，2019，26（11）：328-328，326.

［11］ 黎洪珍，劉暢，梁兵，等．氣井堵塞原因分析及解堵措施探討［J］．天然氣勘探與開發，2010，33（4）：45-48．

LI H Z，LIU C，LIANG B，et al.Analysis on causes of gas-well plugging and removing treatment［J］.Natural Gas Exploration and Development，2010，33（4）：45-48.

［12］ 龐振力，劉孝強，季鵬，等．139.7 mm套管高溫高壓測試封隔器研制［J］．油氣井測試，2021，30（6）：22-27．

PANG Z L，LIU X Q，JI P，et al.Development of high temperature and high pressure testing packer for casing with diameter of 139.7 mm［J］.Well Testing，2021，30（6）：22-27.

［13］ 趙旭亮，劉永莉，貢軍民．分段壓裂用可溶橋塞研究及試驗［J］．遼寧石油化工大學學報，2021，41（3）：57-61．

ZHAO X L，LIU Y L，GONG J M.Development and test of dissovable bridge plug for staged fracturing［J］.Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology，2021，41（3）：57-61.

［14］ DOU Y H，ZHANG Y F，LIANG J W，et al.Experimental study on application characteristics of zeolite/water stuffing for the nanofluidic packer rubber［J］.Advances in Mechanical Engineering，2020，12（11）：1687814020971901.

［15］ 程凱．壓裂工具用可溶性橡膠材料的制備與性能［D］．青島：青島科技大學，2020．

CHENG K.Preparation and properties of degradable rubber materials for fracturing tools［D］.Qingdao：Qingdao University of Science and Technology，2020.