馬蘭榮， 王德國， 韓 峰， 劉 陽

(1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械和儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

水平井裸眼封隔分段壓裂技術(shù)作為低滲透油氣藏和頁巖氣開發(fā)的有效手段之一，得到越來越多的應(yīng)用。裸眼封隔器是分段壓裂的關(guān)鍵工具，其可靠性直接決定著分段壓裂的最終效果。由于水平井井下情況復(fù)雜，井下的壓力和溫度高，常規(guī)封隔器在入井過程中容易碰傷膠筒，影響其密封能力。另外，由于裸眼段井徑變化比較大，常規(guī)封隔器膠筒較短，在井徑擴(kuò)大率較大、井眼不規(guī)則的井中封隔效果不理想，從而影響壓裂施工的效果。遇水膨脹封隔器采用特種橡膠制成，通過吸收井內(nèi)的地層水或完井液發(fā)生體積膨脹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)封隔[1]。與常規(guī)封隔器相比，遇水膨脹封隔器無需進(jìn)行地面操作即可實(shí)現(xiàn)封隔器坐封，可大大提高其可靠性，節(jié)省施工時(shí)間。由于遇水膨脹橡膠材料具有自我修復(fù)功能，即使膠筒碰傷，也不會(huì)影響密封效果。此外，由于膠筒膨脹率高，尤其適用于不規(guī)則井眼及井徑擴(kuò)大率較大的井眼。

1 設(shè)計(jì)要求

1) 為了保證遇水膨脹封隔器能夠適應(yīng)井下各種條件下的封隔要求，封隔器膠筒的膨脹率應(yīng)達(dá)到3倍以上。同時(shí)，在膨脹后應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和硬度，如果應(yīng)用于壓裂作業(yè)，在膨脹后應(yīng)具備70 MPa的封隔能力。

2) 遇水膨脹封隔器應(yīng)適應(yīng)現(xiàn)場的液體環(huán)境，不僅能在清水中順利膨脹，還應(yīng)在具有一定礦化度的鹽溶液中膨脹。

3) 遇水膨脹封隔器的膠筒應(yīng)具備耐高溫的能力。

4) 封隔器在入井過程中膨脹速率要小，不能增大管串的下入摩阻。

5) 封隔器在膨脹后應(yīng)保持密封的持久性。

2 遇水膨脹橡膠配方設(shè)計(jì)

在樹脂中加入環(huán)己烷、分散劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑及各種單體，按比例混合，采用反向懸浮共聚法合成聚丙烯酸鈉高吸水聚合物，再選用氧化-還原性引發(fā)劑，采用互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)聚丙烯酸鈉高吸水聚合物進(jìn)行合成改性，即可制得所需的吸水聚合物。

橡膠D1是一種極性橡膠，具有良好的耐油性、耐磨性和耐酸堿性能，且與吸水聚合物的相容性較好，因此選擇橡膠D1為基體原料，添加吸水聚合物、炭黑等補(bǔ)強(qiáng)材料，采用物理機(jī)械共混法制備混煉膠，再經(jīng)硫化成型制得遇水膨脹橡膠(WSR)。

2.1 吸水聚合物(SAR)加量的優(yōu)選

采用橡膠D1、吸水聚合物及各種添加劑設(shè)計(jì)了多種遇水膨脹橡膠配方，制備了多個(gè)橡膠試樣進(jìn)行了吸水性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 吸水聚合物不同加量試樣的吸水質(zhì)量變化率曲線Fig.1 Mass variation curve of samples with different contents of water absorbing polymer

由圖1可看出，在吸水聚合物加量為70%時(shí)，遇水膨脹橡膠的吸水性能最好，當(dāng)吸水聚合物加量超過70%以后，橡膠的質(zhì)量變化率(經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，遇水膨脹橡膠的質(zhì)量變化率與體積膨脹率正相關(guān)，為了試驗(yàn)時(shí)方便測(cè)量，用質(zhì)量變化率表征遇水膨脹橡膠的膨脹性能)明顯降低。由圖1也可看出，隨著橡膠中吸水聚合物加量的增大，其質(zhì)量變化率下降幅度也逐漸增大，故遇水膨脹橡膠中的吸水聚合物加量確定為70%。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)劑加量的優(yōu)選

補(bǔ)強(qiáng)劑是橡膠合成中改變橡膠性能的重要成分，其主要作用是提高橡膠的強(qiáng)度。其不同的配比可對(duì)橡膠強(qiáng)度和膨脹性能起到較大的影響。選擇11組不同配比的補(bǔ)強(qiáng)劑A/C組分制得遇水膨脹橡膠試樣，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能和遇水膨脹性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1和圖2。

表1補(bǔ)強(qiáng)劑A和C不同加量遇水膨脹橡膠試樣的力學(xué)性能

Table1Mechanicalpropertiesofwater-swellablerubbersampleswithdifferentreinforcing-agentA/C

補(bǔ)強(qiáng)劑A和C加量,%抗拉強(qiáng)度/MPa拉斷伸長率,%補(bǔ)強(qiáng)劑A和C加量,%抗拉強(qiáng)度/MPa拉斷伸長率,%10/305.01 012.920/506.1546.110/406.9945.330/306.8681.310/507.1713.030/408.3499.910/609.6613.840/408.5451.120/306.2795.550/409.5272.220/407.6453.2

圖2 補(bǔ)強(qiáng)劑不同加量遇水膨脹橡膠試樣的吸水質(zhì)量變化率曲線Fig.2 Mass variation curve of water-swellable rubber sample with different contents of reinforcing-agent

由圖2可看出，遇水膨脹橡膠的質(zhì)量變化率隨補(bǔ)強(qiáng)劑A加量的增大而減小，隨補(bǔ)強(qiáng)劑C加量的增大而增大。從表1可以看出，補(bǔ)強(qiáng)劑A和C的加量為10%和60%時(shí)，遇水膨脹橡膠的強(qiáng)度最大，可達(dá)9.6 MPa，在水中的質(zhì)量變化率為300%；當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)劑A和C的加量為20%和40%時(shí)，遇水膨脹橡膠的質(zhì)量變化率最大，強(qiáng)度也可達(dá)到7.6 MPa，此時(shí)，橡膠的綜合性能較好。綜合考慮橡膠的吸水性能及強(qiáng)度，將補(bǔ)強(qiáng)劑A和C的加量確定為20%和40%。

3 影響WSR膨脹性能的因素

3.1 溫度

環(huán)境溫度對(duì)于遇水膨脹橡膠的膨脹性能的影響很大[2-3]。在高溫下，橡膠分子運(yùn)動(dòng)加快，對(duì)吸水樹脂的束縛力降低，導(dǎo)致吸水膨脹率增大；當(dāng)溫度升高到一定程度，由于外界提供的能量增大，吸水樹脂與水分子形成的氫鍵被削弱，鏈間疏水作用增強(qiáng)，水分被釋放出來從而影響最終平衡膨脹率。不同溫度下遇水膨脹橡膠吸水后的質(zhì)量變化率測(cè)試結(jié)果見圖3。

由圖3可看出：隨著溫度的升高，質(zhì)量變化率曲線的斜率在增大，遇水膨脹橡膠達(dá)到膨脹平衡所需時(shí)間縮短，這意味著遇水膨脹橡膠的吸水速度在提高；當(dāng)溫度低于120 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，遇水膨脹橡膠的平衡吸水膨脹率增大；當(dāng)溫度高于120 ℃時(shí)，其平衡吸水膨脹率隨著溫度的升高反而降低。這是因?yàn)楦邷貢?huì)影響吸水樹脂和橡膠的結(jié)合作用力，隨著溫度的升高，水的流失率也在增大，導(dǎo)致遇水膨脹橡膠的最終平衡膨脹率降低。

圖3 不同溫度下遇水膨脹橡膠質(zhì)量變化率與時(shí)間的曲線Fig.3 Water absorbing of water-swellable rubber vs.time at different temperatures

3.2 鹽溶液

在不同種類的鹽溶液中，遇水膨脹橡膠的吸水速度及膨脹率存在較大差異，選擇了4種不同種類陽離子的鹽溶液進(jìn)行遇水膨脹橡膠的吸水性能試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2不同種類陽離子溶液對(duì)遇水膨脹橡膠吸水性能的影響

Table2Influenceonwaterabsorbingperformanceofwater-swellablerubberbydifferentcationsolutions

鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù),%平衡吸水率,%質(zhì)量流失率,%KCl0.92633.9NaCl0.92343.8MgCl20.9481.2CaCl20.9371.1

從表2可以看出，鹽溶液的離子強(qiáng)度越高，遇水膨脹橡膠的吸水率越低，吸水速度越慢。這是因?yàn)橥獠筷栯x子的同離子效應(yīng)，使遇水膨脹橡膠中吸水聚合物的吸水滲透壓降低導(dǎo)致吸水率降低，鹽溶液的濃度越高，離子強(qiáng)度越大，這種影響越大，水分子在遇水膨脹橡膠中傳遞越難，膨脹率降得越低。同時(shí)，由于二價(jià)陽離子的交聯(lián)作用，提高了交聯(lián)密度，使遇水膨脹橡膠在二價(jià)陽離子溶液中的膨脹率更低。

4 遇水膨脹封隔器的封隔性能

4.1 膨脹封隔機(jī)理

由遇水膨脹橡膠制成的遇水膨脹封隔器膠筒長時(shí)間浸泡于環(huán)境液體中，會(huì)吸水膨脹，開始封隔器膠筒處于自由膨脹階段，當(dāng)膠筒膨脹至接觸井壁時(shí)，封隔器的膨脹空間受到限制，繼續(xù)膨脹擠壓井壁產(chǎn)生接觸應(yīng)力，從而具備了密封環(huán)空的能力，吸水膨脹率越高，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力越大，封隔能力越強(qiáng)[4]。當(dāng)封隔器的封壓能力小于環(huán)境壓力時(shí)，液體能繼續(xù)進(jìn)入橡膠內(nèi)，增大接觸應(yīng)力，封隔能力繼續(xù)增強(qiáng)；當(dāng)環(huán)境壓力與封隔器的封壓能力平衡時(shí)，液體不再進(jìn)入膠筒內(nèi)；當(dāng)遇水膨脹橡膠吸液到一定程度，吸水聚合物和硫分子之間的分子鏈斷裂，導(dǎo)致封壓失效。

4.2 遇水膨脹橡膠膨脹率對(duì)封隔效果的影響

當(dāng)遇水膨脹橡膠膨脹至某一膨脹率時(shí)，膠筒外形不再保持原始的規(guī)則形狀，因此當(dāng)膠筒與巖體(或井內(nèi)套管)接觸時(shí)，表現(xiàn)為由局部至整體的逐漸接觸方式，因此分析過程需要眾多較小時(shí)間增量的疊加，完成整個(gè)接觸過程的模擬。

隨著膨脹率的增大，最終產(chǎn)生的變形和膨脹后的密封壓力將有明顯不同。為了更直觀表征膨脹率的變化，數(shù)值模擬時(shí)引入了過盈量的概念。以φ114.3 mm遇水膨脹封隔器為對(duì)象，其基管外徑114.3 mm，外層套管內(nèi)徑162.4 mm，膠筒長度1 000 mm，模擬膨脹膠筒與外層套管過盈量分別為1.0，2.0和2.5 mm時(shí)的封隔能力，結(jié)果見圖4。

圖4 封壓能力與單邊過盈量的關(guān)系Fig.4 Relation between sealing ability and interference magnitude

由圖4可以看出，隨著膠筒過盈量的增大，膠筒的封隔能力也在增大，其與膠筒過盈量近似呈線性關(guān)系，在膠筒單邊過盈量為2.5 mm時(shí)，膠筒的封隔能力達(dá)到了18 MPa/m。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

遇水膨脹封隔器自研制成功以來，與多級(jí)滑套分段壓裂工具配合進(jìn)行了10多口井的現(xiàn)場應(yīng)用[5]，取得了良好的封隔效果，確保了分段壓裂作業(yè)的順利實(shí)施。其中，HH37P57井的第8段使用了遇水膨脹封隔器，坐封處實(shí)際井徑達(dá)175.0 mm，壓裂時(shí)最大壓力達(dá)64 MPa，壓裂過程中無壓降，充分證明了遇水膨脹封隔器的封隔能力。下面以該井為例介紹遇水膨脹封隔器的現(xiàn)場應(yīng)用情況。

5.1 基本井況

HH36P107井完鉆井深3 494.00 m，采用投球滑套進(jìn)行裸眼水平段10級(jí)壓裂施工。該井水平段井眼較大，平均井徑達(dá)165.0 mm，最大井徑達(dá)175.0 mm，且多處為橢圓形井眼，長短軸直徑差均超過了5.0 mm，最大達(dá)到了10.0 mm。考慮到常規(guī)壓縮式封隔器因結(jié)構(gòu)所限難以在大尺寸井眼和不規(guī)則井眼實(shí)現(xiàn)超高壓封隔，因此，在井眼直徑較大或井眼不規(guī)則的位置安放了7個(gè)遇水膨脹封隔器，管柱組合及下入井深見表3。

表3 HH36P107井壓裂施工管串排列Table 3 Fracturing string arrangement for Well HH36P107

5.2 現(xiàn)場施工分析

HH36P107井下入了7個(gè)遇水膨脹封隔器，最長橡膠段長4 m，預(yù)制管柱總下入時(shí)間21.00 h，其中遇水膨脹封隔器下入時(shí)間18.33 h，管串順利下入后，整體管柱上提和下放摩阻無異常，充分證明了遇水膨脹封隔器下入時(shí)的安全性。

管柱下入到設(shè)計(jì)位置后，替入3%的KCL溶液，等待膨脹。根據(jù)地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)際井況對(duì)遇水膨脹封隔器的膨脹時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)，約7 d后該封隔器能夠?qū)崿F(xiàn)漲封。

圖5為HH36P107井的壓裂施工曲線，從圖5可以看出，各級(jí)滑套均順利打開，打開壓差明顯，雖然遇水膨脹封隔器坐封位置在井徑較大且井眼不規(guī)則處，但在壓裂過程中，各段封隔效果良好，均沒有發(fā)生竄層，保證了壓裂作業(yè)的順利進(jìn)行。

6 結(jié)論與建議

1) 研制的遇水膨脹封隔器能夠?qū)崿F(xiàn)吸水膨脹，且膨脹率及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 溫度對(duì)于遇水封隔器的吸水膨脹有很大的影響，當(dāng)溫度低于120 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，遇水膨脹橡膠的吸水膨脹率增大。

圖5 HH36P107井壓裂施工曲線Fig.5 Fracturing operation curve for Well HH36P107

3) 鹽溶液的離子強(qiáng)度對(duì)遇水橡膠膨脹性能的影響明顯，離子強(qiáng)度越高，橡膠的吸水膨脹率越低，吸水速度越慢。

4) 遇水膨脹封隔器的膨脹率越大、密封能力越強(qiáng)。

5) 遇水膨脹封隔器在水平井中能夠順利下至設(shè)計(jì)位置，并能在井徑擴(kuò)大率較大的井眼及不規(guī)則井眼實(shí)現(xiàn)良好的封隔。

6) 建議研制系列化的遇水膨脹封隔器，并針對(duì)不同規(guī)格的封隔器形成配套的硫化成型工藝。

7) 進(jìn)一步擴(kuò)大遇水膨脹封隔器應(yīng)用范圍，在控水、堵水、篩管完井、封堵目的層等方面進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
References

[1] 徐鑫，魏新芳，余金陵.遇油遇水自膨脹封隔器的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(6)：67-69.

Xu Xin,Wei Xinfang,Yu Jinling.Researches and applications of oil/water expandable packers[J].Petroleum Drilling Techniques,2009,37(6):67-69.

[2] 楊德鍇，馬蘭榮，郭朝輝，等.遇水膨脹橡膠的膨脹性能研究[J].彈性體，2013，23(1)：80-84.

Yang Dekai,Ma Lanrong,Guo Zhaohui,et al.Research of expansion capability of water-swellable rubber[J].China Elastomerics,2013,23(1):80-84.

[3] 許嬋嬋，余金陵，徐鑫.遇水自膨脹封隔器專用橡膠的合成與性能分析[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(3)：38-42.

Xu Chanchan,Yu Jingling,Xu Xin.Manufacture and properties of rubber for water swelling packer[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(3):38-42.

[4] 楊德鍇，杜鵬德，薛占峰，等.自膨脹封隔器封壓性能技術(shù)分析[J].石油礦場機(jī)械，2013，42(2)：59-62.

Yang Dekai,Du Pengde,Xue Zhanfeng,et al.Analysis of sealing property for self-expandable packer[J].Oil Field Equipment,2013,42(2):59-62.

[5] 劉陽，馬蘭榮，郭朝輝，等.自膨脹封隔器技術(shù)在完井作業(yè)中的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2012，41(3)：76-81.

Liu Yang,Ma Lanrong,Guo Zhaohui,et al.Researches and applications on expandable packers in well completion[J].Oil Field Equipment,2012,41(3):76-81.