0 引言

近年来，水平井固井存在质量差、顶替效率低、压裂窜槽严重以及水泥浆对储层造成污染等技术难题，如何有效地实现分段智能完井来克服水平井筛管完井后的出水问题，对常规封隔器提出了新的挑战^[1]。目前，油田稀油水平井完井技术多采用裸眼完井、砾石充填完井、割缝筛管完井和固井射孔完井等方式^[2-4]。采用以上方式一方面由于水平井的水平段较长，另一方面由于地层沉积不均匀造成水平井段上存在各向异性。常用的管外封隔器多采用扩张式管外封隔器^[5-6]，扩张式管外封隔器需要液压坐封，进而需要下入坐封工具或者投球加压，因此使用扩张式管外封隔器多了1道作业工序。另外，常规的遇水自膨胀封隔器^[7]由于承压能力差，给后续的注水和分段压裂带来了不便。

目前，提高封隔器密封性和承压性已成为封隔器研究的关键。封隔器胶筒的耐压性能除受材质本身的影响外，还受胶筒结构尺寸、胶筒座外径和防突结构^[8]等的影响。为此，笔者设计了水敏式自膨胀管外封隔器，分析了其工作原理，设计了肩部防突结构。防突结构可与不同配比的胶筒配合使用，提高了胶筒与井壁之间的接触压力，使得水敏式自膨胀管外封隔器具有良好的密封性能和较高的承压能力。所得结论可为封隔器的结构优化提供参考。

1 技术分析 1.1 结构

水敏式自膨胀封隔器主要由连接部分、防突部分和密封部分等组成，结构如图 1所示。

连接部分将水敏式自膨胀管外封隔器和其他完井工具管串相连接，设计的套管短节有利于打管钳。防突部分用来阻止和限制工具坐封时水敏胶筒朝地层和套管环形空间“突出”，目的是提高和保持接触压力，获得良好的密封性能。胶筒12高的膨胀率能够自动填充不规则井眼，自动修复能力强，适用不规则井眼的封隔。胶筒10强度较高，能够提高封隔器的承压能力。

1.2 工作原理

水敏式自膨胀管外封隔器下入到指定井段后，受到井下参数(如温度和压力)及含水环境的影响，共同作用在自膨胀管外封隔器上。经过一定的时间累积，膨胀环A、膨胀环B、自膨胀胶筒10和12分别开始膨胀。由于采用不同的遇水膨胀胶筒配方，膨胀环A、膨胀环B、不同配方的遇水自膨胀胶筒10和12会依次膨胀。膨胀环A能够将开口铜环胀开，开口铜环采用紫铜片冲压成型，表面开有24条缝，胀开形成碗状的第1道防突保护层。膨胀环B同时也会将丁腈橡胶做的护肩胀开形成碗状的第2道和第3道防突保护层。遇水自膨胀胶筒10比遇水自膨胀胶筒12膨胀后强度高，但其膨胀率稍低，遇到井眼不规则的情况时，胶筒12能够更好地起到密封作用，胶筒10膨胀后能够提高整个封隔器的密封压力。经过遇水自膨胀胶筒及3级碗状防突结构能够提高整个封隔器的密封效果和承压能力，进而可以实施下一步的分段压裂和分段采油。

1.3 关键技术

(1) 水敏式自膨胀管外封隔器结构新颖、操作简单。工具采用遇水自膨胀橡胶构成，无机械运动部件，无需下入专用坐封工具或进行专门的膨胀作业，可采用1趟管柱实现作业。另外，胶筒10和12与膨胀环A和膨胀环B变形时相互独立，不会因为开口铜环与胶筒10和胶筒12变形不一致而出现相互搓动，造成胶筒被刹伤或开口铜环剥落等现象。

(2) 水敏式自膨胀管外封隔器端部采用逐级防突装置。膨胀环A和开口铜环形成第1道碗状防突结构，膨胀环B及丁腈橡胶护肩形成第2道和第3道碗状防突结构，而且防突结构设计使工具既有刚度，又有弹性。

1.4 主要技术参数

不同型号的水敏式自膨胀封隔器技术参数如表 1所示。

1.5 结构特点

(1) 水敏式自膨胀管外封隔器能够大幅度提高承压能力。

封隔器的开口铜环胀开后强度较大，起到第1道保护作用。丁腈橡胶护肩的强度高于遇水自膨胀橡胶，

胀开后起到第2道和第3道保护作用，对封隔器的胶筒起到了有效的保护作用，能够大幅度提高封隔器的承压能力。

(2) 水敏式自膨胀管外封隔器设计的胶筒不同配方有益于胶筒更好地与裸眼井壁贴合，起到密封作用。自膨胀胶筒高的膨胀率能够自动填充不规则井眼，自动修复能力强，适用不规则井眼的封隔。遇水自膨胀胶筒的强度较高，能够提高封隔器的承压能力。该封隔器膨胀后更加贴合井壁，最终实现分段效果。

2 防突结构分析与设计 2.1 防突结构分析

防突就是在密封元件的端部安装某种阻挡环(统称防突件)，支撑或限制其他的装置或保护件，用来阻止和限制封隔器坐封时密封元件朝环空突出，从而提高和保持接触压力，以获得良好的密封性能。

胶筒在压缩时，总的接触压力等于初封阶段的轴向预压和工作压差所形成的接触应力之和，即

式中：p_Ke、p_Kn分别为轴向预压和工作中形成的接触压力，p_Ke的大小与防突结构关系不大，而p_Kn值则随着防突结构直径的增加而增大。

式中：u为泊松比；Δp为初封后的压差，Pa；Z表示所研究的截面处接触长度，mm；L表示密封元件与井壁的接触长度，mm；R₀表示套管内半径，mm；r_n表示封隔器支撑环的半径，mm，当r_n=R₀(防突结构半径等于套管内径，即无间隙)时，p_Kn将增大到最大值。

可见，有防突结构时可以提高接触压力。胶筒在工作过程中还会出现应力松弛现象，其结果会造成接触应力下降，

甚至造成胶筒失效。采取防突结构有助于缓和应力松弛现象，保持接触压力。同时，胶筒发生肩部突出，会使胶筒本身承受很大的切应力，以致发生残余变形，造成解封困难。

2.2 防突结构设计

水敏式自膨胀管外封隔器防突结构主要包括开口铜环、膨胀环A、膨胀环B和丁腈橡胶，结构如图 2所示。 开口铜环胀开后强度较大，起到第1道保护作用。丁腈橡胶护肩的强度高于遇水自膨胀橡胶，胀开后形成第2道和第3道保护作用，对遇水自膨胀封隔器的胶筒10和12起到了有效的保护作用。胶筒10和12在膨胀时由于受到井壁的限制，橡胶会发生轴向移动，若无防突结构，胶筒会从端部撕裂挤出发生翻胶，从而降低整个封隔器的承压能力。该防突结构既有刚性材料的强度，又具有了塑性材料的弹性；既能够有效防止膨胀过程中端部橡胶挤出，又能够大幅度提高封隔器的承压能力和稳定性。

3 地面承压试验

在地面模拟现场工况进行承压试验。试验装置有试验套管、加热试验箱、试验工作台和加压泵。试验步骤如下：①预先将试验套管装满介质，再将水敏式自膨胀管外封隔器放置于试验套管中，模拟现场井况；②开启加热试验箱，直到温度达到所需井况温度，然后将模拟试验系统置于其中浸泡；③时间达到后取出模拟试验系统，将其置于试验工作台上，连接好加压泵管线，进行加压试验；④在加压过程中逐步升压，每升高1 MPa，稳压5 min，观察套管有无渗出液，若无泄漏则继续加压，直至将胶筒10和胶筒12击穿，套管有液体渗出。试验结果如表 2所示。

地面试验结果表明：外径为146和144 mm、密封段长度为500 mm的水敏式自膨胀管外封隔器具有优良的承压能力，承受压差达到28 MPa；外径为146 mm、长度为1 000 mm的水敏式自膨胀管外封隔器能够承受压差40 MPa；外径为146和144 mm、长度为2 000 mm的水敏式自膨胀管外封隔器能够承受压差56 MPa。

这说明研制的水敏式自膨胀管外封隔器具有优良的承压能力，在较长时间缺水状态下仍然能够保持较好的耐压能力。

4 结论与建议

(1) 水敏式自膨胀管外封隔器结构简单，可靠性高，能够简化完井工艺和施工流程，降低了作业成本，提高了完井效率。

(2) 设计的水敏式自膨胀管外封隔器胶筒采用了2种不同的配方，胶筒10和12具有不同的膨胀率和强度，具有优异的自愈合能力，在承压过程中被击穿之后，只要给体系一段恢复时间，就能达到击穿前的承压能力。

(3) 设计的3道防突装置对封隔器的胶筒10和12起到了有效的保护作用，提高了封隔器的承压能力。建议将此结构用在其他结构封隔器上，以体现其防突效果。