压缩式封隔器胶筒失效因素分析及措施_陈健

Va (T Va (T0
) )
VR (T ) VR (T0 )
+
B
采油工业中应用的橡胶产品通常处于 极高的压力之下,在这种高压下,低分子量 的 碳 氢 化 合 物 及 二 氧 化 碳 、硫 化 氢 等 其 他 气体在橡胶中的溶解度远远高于常压下。 当操作条件发生变化时,压力突然下降,溶 解的气体将胶件内部逃逸出来,橡胶件爆 破,导致密封失效。
３ 提高压缩式封隔器胶筒性能的措施
济性、安全性危害极大。经压缩式封隔器胶筒模拟试验和现场试验,分析出压缩式封隔器胶筒失效的因素,通过优化压缩式封隔器胶筒
的结构和提高施工工艺水平,可以有效的改善压缩式封隔器胶筒的密封性能。
关键词:封隔器 密封件密封 失效因素
中 图 分 类 号 :TE93
文献标识码:A
文 章 编 号 :1672-3791(2010)11(a)-0080-04
科技资讯 ２０１０ ＮＯ．３１
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
1.3.1 原 因 分 析 封隔器密封件都在井下作业,且完全 浸在石油中,溶剂分子进入橡胶密封件交 联 网 络 ,使 其 溶 胀 ,体 系 网 链 密 度 降 低 ,平 均 末 端 距 增 加 ,进 而 模 量 下 降 ,见 图 6。 交联橡胶密封件的溶胀过程包括两个 部分:一方面溶剂力图渗入橡胶密封件内部 使其体积溶胀；另一方面由于橡胶密封件体 积膨胀导致网状分子链向三度空间伸展,使 分子网受到应力产生弹性收缩,力图使分子 网 收 缩 。当 这 两 种 相 反 倾 向 相 互 抵 消 时,达 到 了 溶 胀 平 衡 ,封 隔 器 密 封 件 弹 性 模 量 下 降 ,压 缩 应 力 不 变 ,使 密 封 性 能 下 降 。 １ ． ４ 温度对密封失效影响 温度对密封性能的影响试验结果见表1。 由表1得出,温度的升高加速了胶桶密 封失效的速度。 原因一:应力松弛。 胶筒在轴向压缩力作用下,胶筒的工 作面完全和套管壁相接触,轴向压缩量达 到 了 最 大 值 。在 外 力 作 用 下 , 高 分 子 链 段 不得不顺着外力方向被迫舒展,因而产生 内 部 应 力 , 与 外 力 相 抗 衡 。但 是 , 通 过 链 段 热 运 动 调 整 分 子 构 象 ,以 至 缠 结 点 散 开 , 分子链产生相对滑移,逐渐恢复其蜷曲的 原 状 ,内 应 力 逐 渐 消 除 ,与 之 相 平 衡 的 外 力当然也逐渐衰减,以维持恒定的形变交 联聚合物整个分子不能产生质心位移的 运 动 ,故 应 力 只 能 松 弛 到 平 衡 值 ,导 致 封 隔器密封胶筒弹性模量下降,从而导致密 封失效。 原因二:热氧老化引起的密封失效。 油田用的封隔器密封件最为普及的就 是耐油性能优异的丁腈橡胶密封件,丁腈 橡胶热氧老化过程见图7。 丁腈橡胶分子链上的α氢在一定温度 下与氧发生反应生成不稳定的中间体,分 解 成 带 羰 基 和 带 羟 基 的 两 个 链 段 。丁 腈 橡 胶在热氧老化过程中随着结构的变化性能 也发生相应的变化,拉伸强度和伸长强度 都随着热氧老化的进程而下降,导致封隔 器密封件密封失效。
并提出相应解决措施。
１ 压缩式胶桶模拟试验
试验装置为压缩式胶筒试验装置见图1。 １ ． １ 试验步骤
(1)座 封 工 具 液 压 座 封 ,胶 筒 与 试 验 套 管内壁充分接触实现封隔A腔与B腔,给介 质 加 温 , 达 到 试 验 温 度 。( 录 取 参 数 : 温 度 、 座封力)。
(2)经 上 压 管 打 上 压 使 A腔 压 力 达 到 试 验 压 力 ,保 压 48小 时 ,泄 上 压 。(录 取 参 数 : 温 度 、压 力 、补 压 次 数 )。
(3)经 下 压 管 打 下 压 使 B腔 压 力 达 到 试 验 压 力 ,保 压 48小 时 ,泄 下 压 。(录 取 参 数 : 温 度 、压 力 、补 压 次 数 )。
(4)解 封 起 出 试 验 工 具 ,测 量 压 缩 距 ,观 测密封件受损程度。
(5)综合试验数据,分析胶筒失效原因。 １ ． ２ 胶筒肩部产生裂纹和破损导致密封失 效
试 验 井 况 :锦 2-15-025井 况 :稀 油 井, 油 层 压 力 较 低 ,含 底 水 ,施 工 措 施 为 Y441114可捞桥塞堵底水。
施工过程中密封失败,作业停止,取出封 隔器发现密封件已破损,另一胶筒已脱落。后 经 作 业 队 探 伤 套 管 ,井 深 780m～ 785m处 套 管 出现损坏,见图9。
工 业 技 术
力 不 稳 定 、注 气 等 原 因 造 成 小 振 幅 所 引 起 的震动而不断地剪切,在剪切过程中,粘结 点 逐 渐 被 氧 化 ,会 产 生 磨 屑 。这 种 现 象 贯 穿 整 个 过 程 ,氧 化 磨 脱 离 本 体 ,粘 着 点 被 破 坏,同时这些磨削还起着磨料的作用,使接 触 表 面 产 生 磨 损 。当 磨 损 区 不 断 扩 大 时,最 后引起接触面的完全破坏。 ２ ． ２ 套损硬性破坏
间
,温
度
T
与
Va (T ) Va (T0 )
VR VR
(T ) (T0 )
的
线
性
非
常
好
,
所以在系统定标的过程中,我们根据不同
温度下所测得的
Va (T ) Va (T0 )
VR (T ) VR (T0 )
值及其对应
的标准温度计的读数值,就可以拟合出实
际系统的温度定标曲线,其方程式可表示
为：
T
=
T0
+
A
封隔器是油田分层开采工艺必不可少 的井下工具,其关键元件是具有弹性和密 封能力的胶筒,它已被广泛地应用于完井、 注 水 、压 裂 、酸 化 、防 砂 、机 械 采 油 、汽 举 等 采 油 工 艺 技 术 中 。压 缩 式 胶 筒 是 轴 向 载 荷 作用下,产生轴向压缩和径向膨胀来填满 油管和套管之间的环型空间,胶筒与套管 壁之间产生接触压力,从而起到了隔绝井 液 和 压 力 的 作 用 、封 隔 产 层 以 及 防 止 层 间 流 体 和 压 力 相 互 干 扰 等 作 用 。封 隔 器 对 密 封件的密封在工作中一旦失效有可能造成 检 泵 周 期 缩 短 , 注 气 质 量 下 降 , 找 水 、堵 水 无法完成,还易引发压裂工具无法正常工 作等,笔者通过模拟试验和实际现场的试 验对封隔器密封件失效因素进行了分析,
取出密封件洗净如图8所示,密封件肩 部 存 在 微 裂 纹 、另 一 胶 筒 肩 部 小 块 胶 料 脱 落。
原因分析:橡胶密封件和套管内壁相 互接触的表面之间有一定的压力使表面凸 峰 粘 着,在 粘 着 处 因 为 抽 油 泵 工 作 、地 层 压
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３ ． １ 优化结构 方案一:采用压缩自封结构可有效地
降低封隔器密封件肩部集中应力,提高胶 筒的承压能力,见图10。
方案二:采用肩部保护结构有效分散 肩部应力集中,可有效提高胶筒的使用寿 命 ,见 图 11。 ３ ． ２ 施工过程中设计合理压缩距
进行井下作业前计算好封隔器做封的 压缩距,合理压缩距可有效增加密封效果。 ３ ． ３ 优选胶筒
２ 实际工矿下导致压缩式胶桶密封失效 原因分析
２ ． １ 微动磨损 试 验 井 况 :锦 2-13-2109井 况 、稀 油 井 ,
油 层 压 力 较 低 ,射 孔 段 含 有 水 层 。施 工 措 施 为 堵 水 - 负 压 采 油 工 艺 。使 用 井 下 工 具 为 Y341-114和 Y441-114型 封 隔 器 ,作 业 40小 时密封件失效。
Ａｂｓｔｒａｃｔ:compressed parking was the key component in packers and has a decisive role in the working of packers.The seal failure of compressed parking produced great harm to the economic and security of the normal production.This paper analysised the failure factors of compressed parking on the simulation and field test of compressed parking.It can effectively improve the sealing performance of compressed parking when the structure of compressed parking was the best and the construction craft level was improved. Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ:seals;Remaking sealing;Failure factors
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工 业 技 术
陈健 田播源 刘玉文 （ 辽河油田钻采工艺研究院 辽宁盘锦 １ ２ ４ ０ １ ０ ）
摘 要:压缩式封隔器胶筒是封隔器的关键部件,对封隔器的工作效果起决定性作用。压缩式封隔器胶筒密封失效对生产正常运行的经
图 １ 压缩式胶筒模拟试验装置 ８０ 科技资讯 Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＆ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
工 业 技 术
图 ２ 肩部横裂纹
图 ３ 肩部缺肉
图 ４ 约束变形 图 ５ 胶筒试验前后的对比 图 ６ 交联橡胶的微观溶胀过程
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采集卡将放大后的电信号采集累加,并传
送给计算机,计算机软件对采集到的数据
按照解调原理进行解调,最后得到温度及 其空间分布。
１ ． ２ 系统的定标
通过大量的试验发现,在0℃～120℃之
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科技资讯 ２０１０ ＮＯ．３１ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 表 １ 温度对密封性能影响
图 ７ 丁腈橡胶热氧老化过程
图 ８ 受磨损的橡胶密封件 图 ９ 套损硬性破坏
图 １ ０ 压缩自封结构 ８２ 科技资讯 Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＆ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
原因分析:油田进入开采中后期,由于 地 下 的 复 杂 结 构 、地 下 的 腐 蚀 环 境 以 及 材 料的抗腐蚀能力等不定因素的影响,常会 使 一 些 油 水 井 发 生 套 管 损 坏 的 现 象 。当 起 下封隔器经过套管的破损部位时,有可能 发 生 封 隔 器 胶 筒 与 套 损 部 位 刮 、碰 , 由 于 橡胶密封件的硬度较低造成了橡胶密封 件的整体脱落或部分脱落。 ２ ． ３ 减压破坏导致密封失效
胶 筒 肩 部 产 生 裂 纹 和 缺 肉 见 图 2、图3。 1.2.1 产 生 原 因 应力集中。 胶筒在轴向压缩力作用下,当轴向载 荷 大 于 50kN,胶 筒 的 工 作 面 完 全 和 套 管 壁 相接触轴向压缩量达到了最大值,约束变 形 如 图 4,在 肩 部 形 成 了 应 力 集 中 ,导 致 胶 筒损坏导致密封失效。 １ ． ３ 试验胶筒产生溶胀变形导致密封失效 胶筒产生溶胀变形见图5。
根据实际井况选择质地优良的封隔器 压缩式胶筒,可大大提高施工作业的成功 率。
４ 结语
(1)引起封隔器密封件失效的主要原因 有:应 力 集 中 、溶 剂 溶 胀 、应 力 松 弛 、热 பைடு நூலகம் 老 化 、微 动 磨 损 、套 损 破 坏 、减 压 破 坏 等 因 素 。
(2)通过优化压缩式封隔器胶筒的结构 和设计合理的压缩距及优选压缩式封隔器 胶筒可以有效的改善压缩式封隔器胶筒的 密封性能,提高井下作业施工成功率。