封隔器理论基础与应用

第一章、概述

第一节、前言

封隔器系指具有弹性密封元件，并籍此封隔环形空间，隔绝产层，以控制产（注）液，保护套管的井下工具.

根据密封部位不同，可分为两种。一种是油套与套管（或裸眼井壁）之间的密封，谓之“外密封”；一种是油管或油管密封短接（也称密封段）与封隔器内腔（或密封腔容座）之间的密封，谓之“内密封”。

目前常用的封隔器分为两大类：可取式封隔器和永久式封隔器。

对于封隔器本身来说，最关键的部件莫过于弹性密封元件，有人比之为封隔器的心脏，因为它在很大程度上影响甚至决定着封隔器系统井下工作的成败

第二节、封隔器的发展

石油工业的兴起和发展，伴随着封隔器的问世和演变，早期的封隔器结构简单，用途单一、性能低下。1863年美国的布赖森发明了裸眼封隔器，1863年美国的图尔特发明了一种开有油、套压连通孔的单胶筒封隔器，其胶筒是在锥形体的楔入作用下膨胀的。随后美国的封隔器研究又加快了步伐

苏联30年代初，阿塞拜疆油田首先采用正反扣螺栓式封隔器，1963年阿塞拜疆矿机研究所研制了结构比较完善的尾管式封隔器，但其下入深度只有300~650米，有效工作压差不超过2.5MPa。

近几十年，随着钻井、完井工艺不断向高压、高温和复杂的深部地层方面发展，对封隔器提出更高的要求。

第三节、结构封隔器的

一、密封部分：

密封部分是在外力（机械力或液压力）的作用下，发生动作，最终密封环形间隙，防止流体通过的机械。它是封隔器的关键部件，主要由弹性密封元件、赖以安装密封元件的钢碗、隔环（挡圈）和各种防止密封元件“肩部突出”的“防突”部件构成。其中，密封元件是至关重要的核心部件，通常制作成“圆筒状”，所以也俗称胶筒。只是近来为了实现油管与封隔器之间的内密封，密封元件才制作成各种形状（如V形）的盘根

二、锚定部分

锚定部分也叫“支撑部分”，其作用是将封隔器支撑在套管壁上，防止封隔器由于纵向移动而影响密封性能，或引起封隔器过早解封，主要包括水力锚和卡瓦等。

水力锚使用比较广泛。它通常由许多卡瓦牙或锯齿形锚爪（分布在活塞端部的圆柱面上）构成的。它既可与封隔器设计成一体，与卡瓦配套使用，也可以单独接在封隔器上（如图1）。

卡瓦也是一种常用的起锚定作用的机构，美国使用最多。早期的封隔器由于下入深度浅或承压能力低，一般无需带卡瓦，或只在胶筒上部用单卡瓦，1934年才开始在胶筒下部采用上下卡瓦。七十年代，美国格伯森公司研制成功了能承受双向压差的整体卡瓦。有时为了使力的分布均匀，在胶筒两端使用两个整体卡瓦。

为了防止封隔器的纵向移动，特别在深井和高压作业中往往采用正、反多极卡瓦，或附加上水力锚，即使是支撑井底的支柱式封隔器，由于怕压坏尾管，也往往如此。

三、扶正部分

扶正部分主要起扶正密封元件的作用（尤其在井身质量不好的井中），同时也起初卡作用，以便封隔坐封。这种作用，通常由扶正弹簧和状如灯笼的扶正器承担。在转动管柱座封封隔器时，扶正弹簧片以对套管壁的足够的摩擦力，防止封隔器壳体随管柱转动。扶正器一般由扶正弹簧罩、弹簧座和弹簧构成，其作用靠外端呈圆柱面的扶正块来实现。

四、坐封部分

坐封部分是使封隔器坐于目的层段后保持密封状态（即工作状态）的机构。通常，它包

括坐封活塞，中心管（或开有轨迹换向槽的轨迹管），上、下接头，滑环套等。坐封部分动作时，能起两个作用：

1、推动锥体，使卡瓦张开（对于带卡瓦的封隔器来说），并贴压套管壁上。

2、压缩弹性密封元件，使之胀大而密封。

五、缩紧部分

缩紧部分是封隔器一旦坐封后，使之固定于坐封状态（使密封元件密封后保持不变）的机构。由于封隔器缩紧机构及动作方式在很大程度上影响封隔器的可取性，因而是设计可取式封隔器应予重视的结构部分。它通常由外中心管、销钉，各种内锁紧机构（如锥环、锁环、锁扣或锁扣指以及棘轮机构）构成。

六、解封部分

解封部分是使油、套连通，进而导致卡瓦收回，胶筒恢复原状，以利于起封的机构。对于丢式封隔器，则需另行配备专用的坐封和解封工具。它通常由平衡活塞、平衡阀（循环阀）、循环孔（连通孔）、缸套或解封套、解封销钉构成。

第四节、封隔器的类型

一、封隔器基本类型

为了做好封隔器的预选工作，有必要了解封隔器有哪些类型，其主要结构性能和使用条件是什么。

图2-1~2-9举了九种基本类型的封隔器结构示意图。

1、永久式

结构原理：胶筒在锥体a之间压缩，锥体靠卡瓦b固定。防突部件c保护胶筒瓣阀d插入油管后保持常开状态，拔出即关闭，此油管底部带有盘根密封，用以密封封隔器抛光的内部密封腔，限位丝扣e固定此盘根。

坐封方式：机械、水力、气压。

解封方式：不能解封。

使用场合：（1）高压或油管负荷变化大，要求长期可靠密封的井；

（2）油管长度变化大的深井；

（3）生产条件复杂，坐封的准确位置比较恶劣。

2、水力膨胀式

结构原理：硫化有金属加强筋的弹性胶筒a，在高压液体作用下向外扩张，紧贴套管壁。单流凡尔b防止膨胀液外流，使胶筒胀开，只有在动油管柱解封时，通道c才打开，于是胶筒回收（如图2-2）。

坐封方式：油管憋压。

解封方式：转动或上提油管，使卸压槽对准单流凡尔。

使用场合：（1）井壁不规则的裸眼井或套管损坏的井；。

（2）选择性措施和测试；

（3）分层采油、注水。

3、水力自封式

结构原理：由于皮碗是过盈的，故在起下过程中总是紧贴套管壁，每只皮碗只能承受单向压差，而且压差越大，皮碗与套管的密封也就越牢。（如图2-3）

坐封方式：一般不要求坐封动作

解封方式：硬把

使用场合：（1）压差小的浅井；

（2）压力可平衡或油管可锚定的井；

（3）只需要成本不高的水力密封的井。

4支柱式