储气库用大尺寸可溶封隔器研制及试验

王江宽 贺梦琦 董奇玮 刘全和 钟喜东 曾文波 徐健

在储气库不压井作业中，常规封隔器存在综合成本高、尺寸受限、溶解效果差等问题。为此，研制出一种适用于外径177.8 mm套管的大尺寸可溶封隔器。根据相关技术要求和生产需求，对该封隔器关键部件进行力学计算校核，对主体结构参数进行优化设计，在模拟地层液、KCl溶液以及柠檬酸溶液中，对配比出的镁铝合金进行室内溶解试验，并对主体结构力学性能进行仿真分析。分析结果表明：该封隔器可满足在3～15 d内储气库封隔要求，并且其溶解速率高效可控；封隔器材料溶解速率约为10～35 mg/（cm2·h），溶解速度较为平稳且可控；加工样机通过室内承压试验，此封隔器可在90 ℃下承压40 MPa，满足现场作业要求。所得结论可为储气库大尺寸暂堵技术研究及现场作业施工提供技术参考。

储气库；可溶封隔器；结构设计；溶解速率；仿真分析；承压试验

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

封隔器是油氣田开采过程中一种十分重要的井下暂堵工具［1］。作为在油气田开发重要环节中使用的工具，在储气库中的大尺寸套管内的封隔器往往不可溶，在实现坐封之后，需下入打捞工具回收，存在一定局限性，作业繁琐，费时费力，综合成本较高。因此，急需研制出大尺寸可溶封隔器以解决此类问题。

自20世纪60年代起，封隔器重要性开始在世界范围内体现［2］。斯伦贝谢以及贝克休斯等公司对封隔器的科学研究逐渐成熟，封隔器产品专业化、标准化水平不断提高，成为当时各国高新技术战略装备产品［3］。国内封隔器系统技术研究相对冗杂。文启尧［4］推导封隔器微分方程并求解，求出橡胶筒与套管壁相互接触时的压缩变形量；刘传刚等［5］以三胶筒封隔器为研究对象，分析胶筒与套管间接触应力对密封性能的影响；张丽娟等［6］对封隔器的胶筒结构、安装方式以及肩部形状进行了一定的改进。但国内对于一些特定用途的封隔器研究较为欠缺，对于外径177.8 mm（7 in）套管的可溶封隔器研制处于空白阶段；可溶封隔器大多是在小尺寸套管中使用，且难以实现完全可溶，封隔器在大尺寸套管内的溶解性问题还无法解决。

储气库具有强注强采，压力频繁波动的特点。由于井下施工环境多变，其存在各种泄漏问题，难以保证密封效果，所以导致检测诊断工作无法顺利开展。针对此类大尺寸不压井暂堵工具的研究与应用较少，需对工具结构进行优化设计，同时还应对可溶材料进行试验测试评价。

为满足储气库外径177.8 mm套管内暂堵的现场需求，本文提出一种大尺寸可溶封隔器的设计结构，并对其进行了参数优化，不仅保证了其坐封性能，且使其具有加工方便、经济效益更高等特点。此外，测试了可溶材料在不同助溶剂下的溶解性能，实现了可控溶解。所研制的封隔器室内整机测试结果满足作业要求，可为后续的现场应用提供技术支撑。

1 可溶封隔器技术分析

1.1 结构设计与工作原理

根据储气库不压井作业的设计要求，分析各部件承载能力，并对其尺寸进行设计，在现有的封隔器产品基础上，提出双卡瓦、三胶筒的结构，建立三维模型。

针对在大尺寸套管内的实际应用情况，将上接头与承压环设计为一个整体，考虑到此设计应用于大尺寸套管内，应使其能固定在井壁上而不发生周向移动。上、下锥体与卡瓦相连，锥面斜度保持一致；剪断剪钉后，胶筒压缩，卡瓦向外均匀扩张；双卡瓦结构保证了卡瓦牙与套管间的紧密咬合且不会损伤井壁；同时锥面螺纹锁紧机构保证封隔器的坐封状态，防止其回弹。接头与中心管间用销钉固定，避免出现提前坐封问题。三胶筒结构可以增加接触应力，中心管用厌氧胶连接以加强垫环，螺纹封堵下端。整体可上端验压，下端承压，以实现封隔作用。

封隔器设计结构如图1所示。

根据坐封要求，将封隔器与适配装置相连，提拉管柱后下放，在套管内压作用下，卡瓦张开，其齿粒与套管间咬合，锚定在套管壁内壁；同时剪钉自上而下依次被剪断，形成环空密封，坐封完成。待工作完成后可击落盲板，建立生产通道，通过注入溶解液，实现封隔器可控溶解。对各部件分析计算，确定合适的胶筒尺寸及卡瓦牙型倾角，以满足锚定密封需要，从而提高封隔器坐封性能。

1.2 主要技术参数

此封隔器设计目的在于在外径177.8 mm套管内实现封隔功能，将其密封于内径158 mm的气井中，封隔器与套管壁间径向间距为5 mm左右，因此确定工具的最大外径为146 mm，工具长度为616 mm。为使封隔器能够满足35 MPa的压力，以保证坐封力，设计坐封压力为40 MPa，锚定力可达160 kN。

针对可溶材料，优化封隔器结构。此工具采用三胶筒结构，其邵氏硬度为70 HA。在上、中、下胶筒之间分别设置特定倾角的隔环配合，防止肩突现象的发生。橡胶材料属于高度非线性复合材料［7］，结合胶筒与密封组件的结构设计，初步确定胶筒的外径为144 mm，为保证胶筒与套管内壁的密封性，应对结构参数进行优化，以实现胶筒与套管间可靠密封。

根据封隔器设计手册得到胶筒长度的计算公式［8］：

式中：h为胶筒长度，mm；Δp为胶筒受到的轴向压力，Pa；Rt套管内半径，取值为79 mm；R1为胶筒外径，取值为73 mm；［τ］为胶筒的许用剪切应力，取值为3 MPa；f为套管与胶筒间的摩擦因数；p0为初始压力，Pa；μ为泊松比，取值0.49［9］。

由式（1）可求得最小胶筒长度h=67.3 mm，取胶筒总长度为h=140 mm，其许用剪切应力的安全系数可算出大于1.5，胶筒选用合格。此时，选取隔环角度为135°，以保证其有效密封长度。因此最终确定胶筒长度140 mm，厚度24 mm。

上、下卡瓦均采用嵌入式结构。卡瓦沿圆周方向分为8瓣，表面镶嵌氧化锆陶瓷颗粒与硬质合金粒。为计算可溶封隔器中卡瓦的承载能力，校核卡瓦牙与套管之间的接触应力，对卡瓦齿槽结构进行优化［10］。通过分析比较不同卡瓦牙型角对锚定性能的影响，计算出不同条件下卡瓦与套管间的接触应力，根据实际工况下的坐封压力，通过优化设计，确定牙型。

取一瓣卡瓦，可得静力学方程［11］：

式中：σ为在坐封时卡瓦受到套管壁的坐封压力，Pa；FZ为单瓣卡瓦受到的有效坐封力，N；A为卡瓦牙与套管内壁接触面积，mm2；γ为牙型倾角，（°）。

由式（2）计算可知，在70°牙倾角下应力较大，且卡瓦牙承受单向载荷能力较强，此时卡瓦锚定稳定，且不会对套管产生损伤。

坐封时，在此封隔器上端设计丢手的剪断销钉，其材质为H62，其抗剪极限强度为330 N/mm2。销钉数量n=6个，则有［12］：

式中：d为销钉的直径，mm；τ为材料抗剪强度，MPa；F为剪切力，N。

根据式（2）、式（3）可得设计剪断销钉的动作压力为40 MPa，解封销钉直径为7 mm，长度为16 mm。满足封堵要求后，销钉断裂，实现坐封。

2 关键技术分析

铝合金作为强度高、加工性好的可降解材料，具备良好的市场应用前景。根据实际工况技术要求，对此封隔器主体材料进行制备、试验研究，以实现溶解速率的有效调控。根据现有的井下暂堵可溶压裂球技术，优化成分配比，采用耐高温高溶解率的合金，确定单个样块的成分比例如表1所示。其力学性能如表2所示。

辽河地层水质矿化度为2 000～3 500 mg/L［13］，据此可配置模拟地层液，质量分数为3%的KCl溶液和3%柠檬酸溶液，分为3组进行试验。设置恒温水浴温度为90 ℃，并将放有样块的烧杯置于水浴槽中，进行溶解性能测试。

对于模拟地层液腐蚀质量分数的试验组，对样块每隔5 d进行观察，吹干后称重，确定其溶解进度。通过试验可知，在模拟地层温度与腐蚀度的条件下，镁铝合金样块在第10 天仅表层发生略微变色，样块结构基本无变化；在第20 天，样块表层发生部分随机脱落。在此条件下，可溶材料表面会逐渐形成一种致密膜，以保证封隔器在井下的工作周期。

其他2个试验组，用砂纸轻微打磨试样表面杂质，在90 ℃的条件下，每隔1 h捞出烘干并称重，观察溶解速率。试验可知，铝合金样块在24 h内表层可发生随机剥落，在96 h后样块基本全部溶解，如图2所示。在实际应用条件下，可溶材料的溶解速率受实际工况温度与Cl-质量分数等影响，当处于含Cl-的电解质溶液中时，其表面形成了微观腐蚀电池，温度越高，Cl-质量分数越大［9］，样块的溶解速率越快。

通過比较分析柠檬酸溶液下试件溶解进度，得到试件溶解进度随时间的变化，如图3所示。从图3可知，试样表面所形成的致密膜被腐蚀破坏，溶解速率加快。对测试的数据进行计算，得到镁铝合金在酸性溶解液下的溶解速率约为10～35 mg/（cm2·h）。图4为镁铝合金在3种溶解液中的溶解曲线。

3 工具坐封丢手状态有限元分析

3.1 中心管上端仿真分析

封隔器在坐封过程中，为验证坐封可靠性，保证其承压能力，在加工样机前需对中心管主体进行力学分析。为此，简化封隔器上端受力模型，并将中心管其他部分删除。其简化示意图如图5所示。

工具整体采用镁铝合金，确定套管之间摩擦因数为0.2，具体参数如表3所示［14］。整体结构采用六面体单元进行网格划分，得到上接头处所受应力云图，如图6所示。

本体材料屈服强度为190 MPa，经分析发现，最大应力为295 MPa，且出现在螺纹孔边。由计算可得，此处的安全系数大于1.5，满足其应力要求。螺纹连接处出现部分应力集中现象，但工具整体满足其等效应力范围，且不超过此材料最大屈服强度［10］。

3.2 中心管下端仿真分析

当工具承下压时，由于胶筒组件形成密封，因此中心管管壁仅在胶筒以下承载工作压力。对中心管分割处理，作用力只作用在承载压力的表面。对下端暂堵塞受力分析，其简化模型如图7所示。

采用与上述相同的边界条件与属性参数，在中心管下端施加外部工作载荷30 MPa，得到应力云图如图8所示。

由于其材料屈服强度为190 MPa，图8中心管最大应力为76 MPa，暂堵塞最大应力为 126 MPa，二者的最大应力均不超过材料屈服强度的2/3，即其安全系数大于1.5，可满足实际工况要求。

通过仿真分析可证明，此镁铝合金主体的强度满足实际工况下的承压需求，力学性能稳定。为此，加工出实物样机，于2022年9月在辽宁盘锦辽河储气库进行了室内试验。

4 承压性能试验

4.1 橡胶胶筒承压试验

可溶橡胶胶筒材料主要分为水溶式与降解式，这里工具设计采用氢化丁腈橡胶作为可溶橡胶的主体，通过加入聚醚基聚合物来提高橡胶的耐热与耐压性能［15］。制备完成后，通过试验验证此177.8 mm胶筒在套管内40 MPa压差下的承压能力。

将胶筒总成套在工装芯轴上，置于套管中，再将整体放在压力机上，坐封力控制在工具实际坐封力的70%左右，测出胶筒坐封距48 mm，符合实际要求。连接高压管线，在工装上下两端同时加压，压差达到40 MPa，常温下稳压过程中压降较小，试验过程稳定。测试试验如图9所示。

在套管外壁缠绕陶瓷加热片，设置90 ℃恒温，在工装上下端同时加压，测试压降如图10所示。从图10可知，在90 ℃高温条件下，胶筒承压能力良好，在15 min内压降为0.2 MPa。泄压拆卸后，胶筒外观无明显损伤，背环均匀张开，满足现场施工要求。

4.2 卡瓦承压试验

可溶封隔器的卡瓦结构属性如表4所示。

将活塞与仿锥体部分及卡瓦竖直依次放入套管中，套管两端连接试压堵帽，由活塞一侧的堵帽进行加压。当压力达到1.9 MPa左右时，箍环断裂；加压至10 MPa，卡瓦坐封完成。按阶梯加压至40 MPa，15 min内承压平稳。泄压后拆开端帽，测得套管一端与卡瓦距离为62 mm；继续加压至50 MPa，在10 min内承压平稳。泄压后拆开堵帽，其距离基本不变。试验时此工具坐封状态如图11所示。

卡瓦在承压50 MPa与40 MPa时，套管内部压力平稳，卡瓦在承压过程中未发生明显移动，在高压工况下其锚定性能依旧良好。拆卸时，对套管咬痕分布均匀，对套管操作较轻，且卡瓦与卡瓦齿材料完好，无明显破损痕迹。试验结果如图12所示。通过试验验证，仿真优化卡瓦结构后，其锚定效果良好，承压能力满足工况需要，稳压过程中压降小于1%，整体受力较为均匀。

4.3 整机性能试验

为验证此可溶封隔器坐封、坐封承压及密封锚定可靠性，对其进行了功能性测试。将装配好的工具通过坐封接头包与坐封工具连接，将其套入外径177.8 mm套管工装内，水平放置，以进行常温和高温（90 ℃）标准承压（40 MPa）试验。为保证试验坐封状态，进行了极限承压测试，结果如图13所示。测试表明，压降稳定，该工具密封性能良好。

5 结 论

（1）根据储气库不压井作业的现场需求，设计了适用于外径177.8 mm套管，外径146 mm的大尺寸可溶封隔器，并对整体结构及卡瓦、胶筒等关键部件进行了仿真分析与优化设计。

（2）设计工具可满足3～15 d内储气库封隔要求，并且其溶解速率高效可控。基于溶解差异性理念与优化溶解性能目标，材料溶解速率约为10～35 mg/（cm2·h），溶解速度较为平稳且可控。

（3）开展了室内封隔器整机的承压试验，所研制的可溶封隔器可以满足现场工况要求。

［1］  陈家元．完井封隔器卡瓦和胶筒力学行为分析及结构优化设计［D］．西安：西安石油大学，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．页岩气井可溶桥塞工具研制及应用［J］．长江大学学报（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，李林涛，黄传艳，等．可取式液压封隔器耐高温胶筒优选与试验研究［J］．石油机械，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］ 文启尧．卡瓦支撑式封隔器坐封数据计算［J］．石油钻采工艺，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］ 劉传刚，王世强，马认琦，等．海上热采耐高温三胶筒结构封隔器设计及性能评价［J］．钻采工艺，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］ 张丽娟，赵广民，赵粉霞，等．压缩式裸眼封隔器的研制与应用［J］．石油机械，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］ 徐刚，张斌，李进，等．244.5 mm套管三胶筒隔离封隔器研制［J］．石油矿场机械，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］ 闻邦椿．机械设计手册［M］．5版．北京：机械工业出版社，2010．

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

［9］ 郝地龙，何霞，王国荣，等．整体式卡瓦齿槽结构优化［J］．工程设计学报，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］ 华琴．高温高压深井试油与完井封隔器卡瓦力学性能分析［J］．石化技术，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，刘畅，梁兵，等．气井堵塞原因分析及解堵措施探讨［J］．天然气勘探与开发，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］ 庞振力，刘孝强，季鹏，等．139.7 mm套管高温高压测试封隔器研制［J］．油气井测试，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］ 赵旭亮，刘永莉，贡军民．分段压裂用可溶桥塞研究及试验［J］．辽宁石油化工大学学报，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］ 程凯．压裂工具用可溶性橡胶材料的制备与性能［D］．青岛：青岛科技大学，2020．

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