賀秋云, 韓 雄, 曾小軍

(中石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院)

高溫高壓試油測試井下工具在井筒內(nèi)工作，面臨高溫、高壓的作業(yè)環(huán)境，主要技術指標為耐壓值和和耐溫值。耐壓體現(xiàn)在兩個方面：一是耐絕對壓力，即強度，如抗靜壓擠毀、破裂等強度，靠金屬材料來實現(xiàn)；二是耐工作壓差，即密封能力，目前井下工具的密封普遍采用橡膠密封的方式。測試工具耐溫能力對金屬部件不是問題，主要取決于橡膠密封材料的抗高溫能力。因此高溫高壓試油測試井下工具的性能指標的實現(xiàn)取決于橡膠密封件的性能。

一、高溫高壓測試工具橡膠密封件的工作環(huán)境

(1)工作介質(zhì)復雜。試油測試作業(yè)井下測試工具的密封件會直接接觸酸液、天然氣、常規(guī)鉆井液、有機或無機的完井工作液、H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)。

(2)高溫高壓。高溫高壓氣井中井下溫度普遍大于150℃，且不能采用類似鉆井液循環(huán)降低井底工作溫度；另一方面，井下工具承受的壓力高，如酸化作業(yè)，當?shù)孛姹米毫?00 MPa，井底工具承受壓力可達到200 MPa左右，這對工具密封挑戰(zhàn)極大。

(3)工作時間長。試油測試作業(yè)的工序多，其主要的作業(yè)目的之一是取全取準測試資料，井下工具在井下工作時間長，從幾天到幾十天。

(4)可回收。封隔器膠筒在井下高溫高壓環(huán)境長時間工作后是否具有良好的韌性收縮性能，成為封隔器順利解封及后續(xù)工具串起出的關鍵點。

上述因素的協(xié)同作用給高溫高壓井下工具中的橡膠密封件帶來了嚴苛的工作環(huán)境，而且隨著勘探開發(fā)的發(fā)展，井越來越深，作業(yè)環(huán)境將更加惡劣。

二、高溫高壓井下測試工具橡膠密封件的類型

1.“O”型密封圈

“O”型圈是井下測試工具使用最廣泛的橡膠密封件。在高溫、高壓的工作條件下，“O”型密封圈失效的主要原因是其材料的永久變形、擠入密封間隙和運動時出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象所致[1]。因此為保證其可靠的密封，一方面需要根據(jù)密封形式(靜密封、動密封)給出了“O”型圈安裝時允許的拉伸量和壓縮量，如表1所示；另一方面根據(jù)“O”型圈的硬度、安裝時密封面之間尺寸間隙，給出了“O”型圈不發(fā)生擠損的密封壓力，如圖1所示。在“O”型圈制備方面，目前國內(nèi)已基本解決了高溫高壓井下工具“O”型密封件的制造難題，可滿足-50℃～250℃，并適應不同的酸堿環(huán)境，可根據(jù)實際需要進行選型。

2.封隔器膠筒

封隔器是試油測試作業(yè)的關鍵井下工具，用以封隔套管和油管之間的環(huán)形空間，膠筒是核心，其失效主要是由于井下溫度高、膠筒上下工作壓差大導致橡膠老化、撕裂，因此膠料質(zhì)量和膠筒本體結(jié)構(gòu)直接決定了封隔器的密封效果。如圖2所示，膠筒結(jié)構(gòu)設計不合理引起膠筒在大壓差下發(fā)生應力集中而導致膠筒破裂失效。

表1 “O”型圈壓縮率與拉伸量的選擇取值范圍

圖1 典型的“O”型圈密封力學特征

圖2 膠筒應力集中的表現(xiàn)

封隔器膠筒的耐高溫和高壓差是一個矛盾體，目前國內(nèi)開發(fā)耐高壓差(105 MPa)和耐高溫(177℃及以上)測試封隔器膠筒仍然面臨很大的挑戰(zhàn)，而國外一些公司生產(chǎn)的封隔器膠筒已經(jīng)能夠達到耐溫232℃、密封壓差105 MPa水平。

三、高溫高壓井下測試工具的橡膠密封件材料

1.丁腈橡膠(NBR)

NBR具有很好的耐油性和柔韌性，在高溫下具有良好的抗擠性能[2]，長期使用上限溫度在120℃左右，短期使用可在150℃，NBR不耐硫化氫和緩蝕劑。哈里伯頓公司提供的700系列的井下工具O型密封圈的材料就是丁腈橡膠。

2.氫化丁腈橡膠(HNBR)

HNBR由NBR部分或完全催化加氫而生成，強度高、回復性好，具有良好的耐含H2S、H2O、CO2的強腐蝕介質(zhì)，此外還具有良好的耐熱、耐氧化降解的性能[3]。HNBR長期使用上限溫度比NBR高,可在150℃長期使用，并且可通過配方強化使其耐溫達到177℃。哈里伯波頓公司的RTTS、CHAMP 系列測試封隔器膠筒的橡膠材料均采用的是HNBR材料。

3.氟橡膠(FKM)

氟橡膠相比NBR、HNBR橡膠具有更高等級的耐高溫、耐油及耐多種化學藥品侵蝕的特性，綜合性能特別優(yōu)異[4-5]，在高溫高壓井下測試工具中使用的氟橡膠主要包括以下類別：

(1)常規(guī)的氟橡膠FKM，如杜邦公司的Viton?、該橡膠可在204℃工作溫度下連續(xù)使用并保持一定的彈性,耐H2S、耐酸、不耐堿。哈里伯頓公司提供的600系列的井下工具“O”型密封圈的材料就是Viton?材料。

(2)四丙氟橡膠(FEPM)，如日本旭硝子(AGC)公司的Aflas?，具有耐高溫和耐腐蝕性能，使用壽命較長，四丙氟橡膠可在200℃下連續(xù)使用，最高使用溫度可達230℃。哈里伯頓公司601系列的井下工具“O”型密封圈的材料就是Aflas?材料。

(3)全氟醚橡膠FFKM，如杜邦公司的Kalrez，在300℃的高溫下也能保持橡膠的彈性特征，是目前耐熱性能最好的橡膠。幾乎對所有化學品都具有優(yōu)異的耐受性。哈里伯頓公司提供的Chemraz?系列的井下工具“O”型密封圈的材料就是全氟醚橡膠(FFKM)材料。

以上3種高溫高壓井下測試工具使用的橡膠，從耐高溫和耐腐蝕性上來講，丁腈橡膠<氫化丁腈橡膠好<氟橡膠，因此高溫環(huán)境優(yōu)選氟橡膠；另一方面橡膠的強度，氫化丁腈橡膠>丁腈橡膠>氟橡膠，因此在溫度、腐蝕環(huán)境適應的情況下，首選氫化丁腈橡膠，可使相同結(jié)構(gòu)的膠筒有更高的耐用性?；谝陨戏治?，結(jié)合川渝、塔里木等高溫高壓深井的橡膠密封件使用經(jīng)驗以及哈里伯頓公司推薦做法[6]，給出了井下測試工具密封件材料的使用參考表，見表2。

四、井下測試工具橡膠密封件使用和研發(fā)的幾點看法

1．綜合考慮密封件性能影響因素

高溫高壓井下工具橡膠密封件的耐溫、耐壓指標是個相對的概念，還受實際工作壓差、工作時間、支撐密封、工作介質(zhì)、靜密封還是動密封等制約。溫度和密封壓力對膠筒的影響體現(xiàn)在以下兩個方面：

表2 井下不同工作環(huán)境下的橡膠密封件材料推薦表

注:“×”代表不推薦使用，“√”代表推薦使用。

(1)給定一個壓差環(huán)境，當溫度上升到材料耐溫臨界值時，密封件隨即失去密封能力，如圖3所示，可認為是溫度導致膠筒變質(zhì)，損壞最嚴重，對后期膠筒密封能力影響極大，即使加上較小的壓差也不能實現(xiàn)密封。

圖3 溫度升高導致密封件密封損壞后的效果

(2)給定一個溫度(其低于材料最高耐溫)，當壓差上升密封件導致失封后，如果再次加上壓差，密封件還可以具有較大的密封能力，如圖4，可認為密封件在大壓差下變形失封，而材料的力學性質(zhì)并未損壞。

圖4 密封壓力升高導致密封件損壞后的效果

2.測試封隔器密封膠筒是井下測試工具耐高溫高壓的短板

目前國內(nèi)高溫高壓井下測試工具除封隔器以外都可滿足105 MPa工作壓差、200℃井下環(huán)境溫度，關鍵點就是膠筒沒有取得全面突破，致使測試封隔器普遍不能滿足井下溫度200℃左右，高壓差(70 MPa以上)的長時間(大于10 d)測試作業(yè)需求。盡管國外部分測試工具制造商可以提供具有此性能的測試封隔器，但在作業(yè)時間、作業(yè)壓差上仍然提出了很多的限制條件。目前國內(nèi)相關研究機構(gòu)已開發(fā)出滿足177℃井筒溫度的膠筒，但穩(wěn)定性有待提高。

3.配方設計和結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合

配方設計是制造橡膠密封件的關鍵，但是當采用一定的配方技術仍不能滿足耐溫、耐壓的使用要求時，就應從密封件的結(jié)構(gòu)進行考慮，有時結(jié)構(gòu)設計甚至要先于配方設計進行考慮，如針對不同的作業(yè)措施需要考慮采用不同結(jié)構(gòu)的封隔器膠筒。目前國內(nèi)沒有形成有效的膠筒結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，這是制約高溫高壓井下測試封隔器膠筒開發(fā)一直沒有取得根本突破的關鍵因素之一。應從力學分析出發(fā)設計合理的膠筒結(jié)構(gòu)，包括形狀尺寸、內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)、膠筒的組合方式等，并借鑒先進的ANSYS有限元分析等輔助設計軟件，快速找出膠筒的薄弱點，有利于提高膠筒開發(fā)效率。

4.制定和完善試驗方法

國內(nèi)現(xiàn)行標準作為油田橡膠密封制品生產(chǎn)、檢驗、使用的依據(jù)具有局限，如制定時間早、很多是針對油井、未制定高溫高壓深井試油測試作業(yè)條件下的試驗方法，導致出現(xiàn)按現(xiàn)有標準驗證合格的產(chǎn)品在油田現(xiàn)場使用壽命短、性能達不到要求的問題。因此在修訂完善封隔器膠筒性能評估標準時，應該以現(xiàn)行的國家標準和化工行業(yè)標準、機械行業(yè)標準為依據(jù)，充分考慮油田生產(chǎn)工況等要求，借鑒國外標準，如IS014310、API11D標準，并突出以下幾方面內(nèi)容:①對油田橡膠密封產(chǎn)品的膠料性能根據(jù)使用環(huán)境進行細化分類，如耐油、耐酸堿、耐高低溫、耐壓等類別；②有針對性地增加反映特殊性能的試驗項目，如耐高溫制品，其相應的試驗溫度要提高、試驗周期要加長；耐化學溶劑制品，試驗介質(zhì)要模擬現(xiàn)場情況；③增加動態(tài)性能或模擬工況試驗，借助高溫高壓試驗平臺，對密封制品進行密封性能、動態(tài)應力應變性能試驗、應力松弛和蠕變試驗、疲勞試驗、老化試驗、加速壽命試驗及腐蝕性能試驗項目，全面評價產(chǎn)品性能。

五、結(jié)論

(1)隨著作業(yè)井溫度、壓力逐步提高，井下工況愈發(fā)復雜，橡膠密封成為制約井下測試工具可靠性的關鍵因素，需要開發(fā)耐溫200℃，密封壓力105 MPa以上的橡膠密封件，以適應未來井下測試作業(yè)需要。

(2)基于耐高溫橡膠材料研發(fā)和密封件力學結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合，建立與現(xiàn)場應用相適應的橡膠密封件性能評價標準，是研發(fā)高性能井下測試工具橡膠密封件的必要手段。