压缩式封隔器在水平井分段压裂中的应用与改进

李峰+陈强+林和祥+赵法武

摘要： 水平井裸眼分段压裂工艺技术的核心组件之一是压缩式裸眼封隔器，封隔器密封元件的密封性能是决定封隔器使用效果的关键因素，直接影响压裂施工的效果，随着水平井完井技术不断向深井、超深井发展，迫使封隔器工况越来越恶劣，常规封隔器的胶筒与水平段的裸眼井壁直接接触，并伴随高温、高压液体的影响，常出现胶筒组与井壁间接触压力低、胶筒与中心管间易产生渗漏等缺点，降低了胶筒组的密封性能，导致封隔器密封失效，为提高封隔器的封隔能力，可从封隔器密封结构设计入手，从而提高胶筒与井壁、中心管间的接触压力，保证封隔器密封可靠性。

关键词： 压缩式裸眼封隔器；密封性能；密封结构；水平井；分段压裂工艺

封隔器密封元件的密封性能是决定水平井裸眼分段压裂工艺技术封隔器使用效果的关键因素，为提高封隔器的封隔能力，可从封隔器密封结构设计入手，从而提高胶筒与井壁、中心管间的接触压力，保证封隔器密封可靠性。借助ABAQUS分析软件，依据密封结构仿真分析规范及评价方法，对新型四胶筒密封结构进行了研究，包括胶筒数量与隔环形状对胶筒组接触压力的影响，为合理设计封隔器密封结构具有指导性意义。

1新型四胶筒密封结构

为提高压缩式裸眼封隔器密封结构的封隔器能力，可从胶筒数量进行分析研究，提出一种新型四胶筒组密封结构。常规组合胶筒是上胶筒、中胶筒、下胶筒的三胶筒组合形式，新型组合胶筒采用四胶筒的组合形式，即两长两短，与常规组合胶筒相比，在保持总体长度不变情况下，新组合胶筒以两个长为37mm的短胶筒和一个72mm的长胶筒代替原来长为75mm的上、下胶筒，同时增加一个隔环，取端面斜角γ=50°，详细参数见下表。根据第三章建立的分析规范可知，四胶筒网格划分依然采用CAX3H三节点线性轴对称杂交三角形单元，共划分2160个单元。

2 密封结构与井壁接触压力研究

分析计算结果云图如图3-2所示，当胶筒端面斜角取50°时，沿胶筒组与井壁接触取一路径得到新型四胶筒组接触压力分布曲线，当施加12MPa的坐封力时，常规封隔器中胶筒起主要密封作用，上、下胶筒起密封作用的同时保护中胶筒，中间密封胶筒最大接触压力为2.582MPa，接触长度为43.362m；在施加同等坐封力情况下，新型四胶筒组接触压力呈现从加载端依次递减的趋势，新型四胶筒组采用两长两短的布局模式，中间两长胶筒较软起主要密封作用，两端短胶筒较硬主要起保护中间胶筒的作用，从而提高了胶筒密封的可靠性，其中起密封作用的第二、三胶筒最大接觸压力、接触长度分别为3.38MPa、45.08mm，2.94MPa、44.06mm；第一、四胶筒最大接触压力、接触长度分别为3.58MPa、17.56mm，2.85MPa、15.23mm，因为第一、四胶筒主要是起保护中间两密封胶筒的作用，故接触长度较短对密封性能影响较小，但提高第一、四胶筒的接触长度更有利于避免密封胶筒的损坏，常规三胶筒组与新型四胶筒组的最大接触压力值及接触长度值详见下表所示。综上可知，与常规三胶筒组相比，新型四胶筒组的密封接触长度提高了1.05倍，最大接触压力和平均接触压力分别提高了30.9%和25.6%，由于胶筒组的密封胶筒接触压力与接触长度都增大，表明新四胶筒组密封结构可使坐封力更佳有效的传递给密封胶筒，究其原因第一胶筒比常规上胶筒短，在新型四胶筒组密封结构坐封时，第一胶筒与井壁接触长度减小，使中间两密封胶筒更加充分的与井壁接触，从而提高胶筒组接触压力，保证封隔器的密封性。

3 密封结构端面斜角优化研究

保持上述边界条件不变，施加同等坐封力12MPa时，研究不同端面斜角对新型四胶筒组密封结构的密封性能影响，当端面斜角为γ=40°时，密封胶筒的最大接触压力及接触长度分别为3.05MPa、83.37mm，平均接触压力为1.78MPa；当斜角为γ=45°时，密封胶筒最大接触压力及接触长度分别3.83MPa、87.91mm，平均接触压力为2.67MPa；当斜角为γ=50°时，密封胶筒最大接触压力及接触长度分别3.38MPa、89.14mm，平均接触压力为1.93MPa；当斜角为γ=60°时，密封胶筒最大接触压力及接触长度分别3.59MPa、83.12mm，平均接触压力为2.42MPa。综上分析可得，当新型四胶筒组封隔器坐封时，在保证密封胶筒接触长度相当的情况下，胶筒端面斜角为γ=45°时，接触压力最大且呈现马鞍状均匀分布，胶筒组密封性能达到最佳，保证了封隔器的密封可靠性。

图2 在不同端面斜角下新型四胶筒组的接触压力分布图

4 摩擦因数对新型四胶筒结构与井壁间接触压力的影响

因裸眼井壁为复杂随机不规则曲面，下面对新四胶筒组各胶筒在摩擦因数介于0.2～0.8间接触压力进行对比分析，获得新型四胶筒组与井壁间接触压力的分布规律。可依据下述表达式计算出在不同摩擦因数下，各胶筒与井壁间的最大接触压力值y为：

其中，y1为第一胶筒与井壁间接触压力，MPa；y2为第二胶筒与井壁间接触压力，MPa；y3为第三胶筒与井壁间接触压力，MPa；y4为第四胶筒与井壁间接触压力，MPa；x为胶筒组与井壁间的摩擦因数。

5 计算结果分析

与常规三胶筒组密封结构相比，新型四胶筒组密封结构采用两短两长的布局模式，中间两长胶筒起主要密封作用，两端短胶筒起保护中间胶筒的作用，中间两密封胶筒的最大接触压力及平均接触压力分别提高了30.9%、25.6%，接触总长度提高了1.05倍，从而将坐封压力更有效的传递给密封胶筒，提高了封隔器的密封可靠性；当新型组合四胶筒端面斜角为45°时，在密封胶筒的接触长度较长、但接触压力最大且分布均勾，胶筒的密封性能最佳；摩擦因数介于0.2～0.6之间，各胶筒间接触压力分布均匀，更有利于封隔器的密封；但新型四胶筒组密封结构的第一、四胶筒的接触长度比较短，需要进一步提高两端胶筒的接触长度，以保障中间两密封胶筒。