0 引言

自2008年在渤海油田开展热采试验以来，海上油田热采取得了显著的增产效果和一系列的技术研究成果，为我国海上稠油热采技术规模化应用奠定了基础^[1]。但配套的热采井下工具研究目前还处于起步阶段，井筒隔热主要采用“隔热油管+环空注氮气”的方式^[2]。热采封隔器能够实现井筒隔热，保护套管、水泥环及海洋环境，提高热采作业安全。目前，陆地油田常用的封隔器主要是针对ϕ177.8 mm(7 in)及ϕ139.7 mm(5.5 in)套管井，而海上油田热采井多为ϕ224.5 mm( in)套管井，井身结构更为复杂。常用的卡瓦式封隔器结构比较复杂，在解封过程中如果操作不当，可造成卡瓦断裂或落井，甚至引起卡井事故^[3-4]，而海上油田热采对安全要求高，且要求封隔器经过多次温度交变后仍然密封。为此，研制了RX361-210型热敏封隔器，并开展了相关室内试验研究。

1 热敏封隔器的研制 1.1 结构

RX361-210型热敏封隔器结构如图 1所示。

1.2 工作原理

将封隔器下到设计深度，开始注汽。当内腔温度达到200 ℃时，在高温热流体的加热作用下，热胀剂受热膨胀，推动液缸运动，胀环楔入密封件，使密封件扩张，密封油套环形空间，同时带动锁环向前滑行，与中心管锁紧，防止密封件回弹，封隔器实现坐封，达到隔热和选层注汽的目的^[5]。

注汽期间，热胀剂始终处于膨胀状态，持续给密封件提供动力，确保密封效果。注汽压力可补偿封隔器的坐封，注汽压力越高, 密封压力也越高, 保证了密封的持久性与可靠性。放喷结束后，密封件随井筒温度的下降自动收缩而实现解封。如果井筒温度高，向井筒注入清水即可实现解封。上提管柱，载荷增加25~35 kN即可提出封隔器。

1.3 技术特点

RX361-210型热敏封隔器具有如下特点：① 坐封简便，可多次坐封。巧妙地将热胀剂的临界特性与热采工况相结合，依靠热胀剂受热膨胀形成的推力推动胀环楔入密封件实现坐封，不需要专门的地面坐封操作^[6]。由于热流体发生器、井口装置和注汽管线等原因，注汽过程中往往会出现停注情况，该封隔器可利用热胀剂的膨胀特性实现多次坐封，且多次密封效果均很好，能够多轮次使用。② 密封性能可靠。密封件采用特种耐高温材料，两端加有肩部保护装置，并采用楔入扩张式坐封结构和锯齿形螺纹锁紧装置，以增强密封性能。密封件在高温下的承压密封性能好，且密封性能不受温度交变的影响，保证了多次坐封后的密封性能以及长时间注汽密封的可靠性。③ 解封安全。无卡瓦，不会对套管造成损害。随着井筒温度的降低(80 ℃左右)，液缸内的热胀剂液化收缩形成负压，使胀环和液缸回缩，密封件失去支撑作用而解封，解封载荷小于50 kN。④ 可进行洗压井作业。在作业转抽的洗井过程中，井筒温度降低加上外部洗井液压力作用，密封件产生一定程度的收缩，与套管内壁之间形成2~3 mm的间隙，可提供流体通道进行洗压井作业。⑤ 可实现井筒隔热及分层注汽。既可单级使用，封隔油套环空，实现井筒隔热，也可多级使用，封隔不同层位，实现分层、选层注汽，以改变油井吸汽剖面，提高油层动用程度和采收率。

1.4 主要技术指标

最大外径210 mm，最小通径76 mm，最高工作温度350 ℃，最大工作压力21 MPa，坐封温度200 ℃，解封力＜50 kN。

2 关键结构设计 2.1 密封部件设计 2.1.1 密封材料优选

内密封采用石墨和特种耐高温橡胶双重密封，增强密封性能。外密封件是以聚四氟乙烯为基体，并填充不同力学性能优良的改性剂的组合密封件。密封材料耐高温高压，抗高温蠕变、低温回弹性能和抗腐蚀性能好^[7]。

2.1.2 密封件结构尺寸设计

新型密封材料抗拉强度高，硬度大，弹性较小，因此坐封方式采用楔入的方式进行。楔入扩张结构的密封接触面是面接触，楔入体可以对密封件保持持续扩张力^[8]。密封件楔入角过大会造成楔入体进入时阻力大，摩擦力大，同时容易损害密封件，经过计算以及多次试验，楔入角取10°~25°。

2.1.3 密封组件设计

密封件两端设计有肩部保护装置，采用光滑的曲面设计，能够防止密封件在承受高压差情况下发生肩突，提高了密封件的密封效果和耐压强度。

2.2 坐封机构设计

坐封机构采用热力坐封方式，楔入扩张结构，主要由液缸、热胀剂和楔入体等组成。热胀剂须具备下述条件^[9-10]：① 在0~25 MPa压力下，热胀剂的沸点在200 ℃以下，且反应迅速；② 在350 ℃、25 MPa条件下性能稳定，不挥发、不易燃、不腐蚀金属，且不发生化学分解；③ 膨胀性能好，确保具有足够大的热胀力。

热胀剂填充量是保证封隔器正常工作的关键。热胀剂填充过少，不能产生足够的内压，难以起到密封作用；热胀剂填充过多，则内压热胀过大，有可能造成解封困难。封隔器使用时，热胀剂所处的温度和压力使其处于气液两相状态，如果利用单纯可压缩物质的热力学方程来计算其用量，误差较大。因此，结合热胀剂压缩特性参数测试试验，计算出在不同温度下封隔器密封所需的热胀剂填充量。

2.3 锁紧机构设计

为防止封隔器坐封后密封件回弹，增强密封性能，设计有锁紧机构。锁紧机构主要由中心管、锁环和锁环座组成，设计有特殊锯齿螺纹，单方向进扣，反方向锁紧，封隔器坐封后回弹距离小，防退承载能力强^[10]。

3 室内试验 3.1 密封件室内试验

试验的主要设备是ϕ224.5 mm高温模拟试验井系统。该试验井系统主要包括加压系统、加温循环系统和数据检测采集系统。加压系统通过增压泵把氮气输人井中，实现密封件的坐封和密封；加温循环系统加热导热油并围绕试验井筒不断循环，使整个系统的温度达到平衡。试验温度和压力数据通过数据检测采集系统采集^[11]。

密封件是热采封隔器的核心部件，为了检测密封件的密封性能，设计了密封件试验工装工具。该工具主要由中心管、活塞、锁套、锁环、锁爪、胀环和底座等组成，结构如图 2所示。

将装好密封件的试验工装工具下入高温模拟试验井，从中心管加压至5、10、15和18 MPa，使密封件充分坐封。再分别加上压、下压至20 MPa，稳压10 min，验封合格后进行下一步试验。

进行高温密封性能试验时，缓慢加热至300和350 ℃，然后缓慢加上压至20 MPa，稳压8 h。缓慢泄掉上压，依次加下压至20 MPa，稳压8 h。进行温度交变后的密封性能试验时，将试验井温度降至室温，然后再次升温，分别加上压、下压至20 MPa，检验密封件在经过温度交替变化后的密封性能。

密封件高、低温试验结果见图 3。试验结果表明：密封件耐温350 ℃，耐压21 MPa，升降3次，高温下仍密封，密封件的承压密封性能不受温度交变的影响，达到了设计要求。

3.2 封隔器室内试验

试验设备采用ϕ224.5 mm高温模拟试验井系统、丝堵和行吊。坐封温度试验时，将封隔器下入高温模拟试验井。启动加热系统，循环加热试验井筒至180 ℃，保温8 h，使井筒温度达到平衡。加上压至5 MPa，稳压10 min，观察下压。如果下压不升，依次升上压至20 MPa，稳压10 min。如果下压同时上升，进行下步试验。继续升高试验井温度，保温8 h，重复上述步骤，直至找出封隔器的坐封温度为止。

进行高温下密封性能试验时，继续升温至300和350 ℃，缓慢加上压至20 MPa，稳压8 h；然后缓慢泄掉上压，再依次加下压至20 MPa，稳压8 h，检验封隔器在高温下的承压能力。

进行温度交变后的密封性能试验时，缓慢泄压至0，降温到室温，然后再重复高温下密封性能检测，进行5轮次的试验，检验封隔器经过温度交变后的密封性能。

完成上述试验后，降温至室温，上提起出封隔器。试验数据见表 1。试验结果表明：热敏封隔器的坐封温度为200 ℃，坐封、锁紧和解封动作灵敏可靠，密封性能良好，经过5轮次高、低温工况变化，仍然具有良好的耐高温高压性能，各项参数均达到设计指标，满足现场使用要求。

4 结论与认识

(1) 研制的RX361-210型热敏封隔器利用热胀剂、组合密封件与热采工况相结合实现自动坐封、密封及解封，具有坐封灵敏、解封安全、密封性能良好且不受温度交变影响的特点。

(2) 室内试验结果表明：该封隔器坐封温度为200 ℃，可多次坐封，在350 ℃高温下耐压21 MPa，具有良好的密封性能，且不受温度交变的影响，解封温度低于80 ℃，解封力25~35 kN，满足现场应用的要求。

(3) 该封隔器既可用于海上热采井井筒隔热，也可用于分层和选层注汽，可提高注汽效果，在海上稠油热采方面具有良好的推广应用前景。