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摘要：目前大多数热采井分段封隔器是采用耐高温的金属铅封隔器，尽管能耐高温，但密封长度短，变形量小，不能适用于密封井段长、井眼不规则的环境。因此开展热采井管外封隔器的研制十分有必要，通过研制该工具，可以实现稠油热采水平井的有效分段，防止汽窜、水窜的发生。
关键词：热采井 管外封隔器 研制
1 问题的提出
目前，胜利油田利用热采水平井开发稠油油藏取得了显著效果，成为油田保持高产、稳产的主要技术手段之一。
热采井滤砂管裸眼防砂完井技术在胜利油区的多个稠油区块开发中虽然得到了广泛应用，但是目前存在以下主要问题：注蒸汽开采时热应力造成水平段筛管失稳，部分稠油热采区块的筛管完井水平井完井过程和热采过程中出现了筛管损坏现象；稠油油藏水平井实施筛管完井时，没有进行有效分段，发生水窜、汽窜后，后期措施难度大。
2 热采井管外封隔器的研制
针对水平井分段问题，国内外普遍采用长胶筒裸眼封隔器对水平井进行分段完井，为后期分段生产、分段卡堵水提供基础，但是由于橡胶不能承受注蒸汽时的高温环境，不能用于热采井分段完井。因此，目前大多数热采井分段封隔器是采用耐高温的金属铅封隔器，尽管能耐高温，但密封长度短，变形量小，不能适用于密封井段长、井眼不规则的环境。
因此开展热采井管外封隔器的研制十分有必要，通过研制该工具，可以实现稠油热采水平井的有效分段，防止汽窜、水窜的发生。工具入井时保持原状，当注蒸汽温度到达设定值时，动力药剂发生作用，推动液缸挤压耐高温胶筒，实现对裸眼井段的可靠密封。
2.1 工具结构原理
工作原理：当温度升高到150℃时，封隔器液缸内的热膨胀材料开始膨胀，使推力机构产生轴向推力，推动上下密封件变形。
结构创新：
①推力机构具有自锁装置，防止退回，实现密封件永久变形；
②采用两组胶筒，加大密封长度，保证环空的有效密封。
2.2 高温胶筒优选评价
汽车工业的发展对橡胶的耐热性和耐油性提出了越来越高的要求，已经被广泛使用的耐油橡胶有氟橡胶、氟硅橡胶、丁腈橡胶、氯醚橡胶、氯丁橡胶等，但单一的橡胶品种均难以同时满足耐油、耐热、耐腐蚀性介质、耐臭氧等苛刻的环境条件，HNBR就是在这种条件下诞生的一种特种橡胶，它可以在150℃的高温下长期使用，具有优良的耐热、耐非极性油、耐腐蚀性介质、耐臭氧性能，同时具有很高的物理机械性能和良好的动态力学性能，综合性能优越。
①HNBR的结构特性
在催化剂作用下，NBR经选择性氢化制得HNBR，反应式如下：
HNBR具有以下结构特点：
分子结构不规整，是非结晶性橡胶，无自补强性，纯胶硫化胶的拉伸强度只有3.0MPa～4.5MPa。因此，必须经补强后才有使用价值，炭黑补强硫化胶的拉伸强度可达25MPa～30Mpa，而优于丁苯橡胶。
由于分子链上引入了强极性的氰基，而成为极性橡胶。丙烯腈含量越高，极性越强，分子间力越大，分子链柔性也越差。
因分子链上含有双键，因而为不饱和橡胶。但双键数目随丙烯腈含量的提高而减少，即不饱和程度随丙烯腈含量的提高而下降。
相对分子质量分布较窄。如中高丙烯腈含量的丁腈橡胶相对分子质量分布指数为4.1。
与NBR相比，由于HNBR结构饱和，所以需要加入更多量的硫化剂体系才能使其达到与NBR相当的硫化程度。HNBR硫化胶无论在常温还是在高温下均具有较高的物理机械性能，耐热性、耐热油老化性、耐酸性汽油性、耐磨性、耐臭氧性较好，而脆性温度又较低。
在125℃以上长时间使用的耐油场所，除HNBR以外，还可以选用FKM、硅橡胶（VMQ）、聚丙烯酸酯橡胶（ACM）、乙烯-丙烯酸酯共聚橡胶（AEM）、氯醚橡胶（ECO）和氯化聚乙烯（CM）等。与这些橡胶相比，HNBR在物理机械性能、使用温度范围、耐油、耐腐蚀性介质、耐热等性能方面具有很好的综合平衡。
②HNBR动态力学特征
动态粘弹分析表明，与NBR、NR、CR等橡胶相比，HNBR在室温以上很宽的温度范围内具有较为平坦的tan6曲线，损耗因子变化很小。
将NBR和HNBR共混可制得具有优良硫化特性的耐热、耐油制品。其中一种配方为HNBR50 phr，NBR50 phr，硬脂酸1 phr，氧化锌5 phr，硫化促进剂1.5 phr和硫黄7 phr，混合后在160℃下硫化20 min，试样硬度为83，拉伸强度27.5 MPa，Taber磨耗量为15 mg，而无HNBR的试样硬度为75、拉伸强度为19.1 MPa、Taber磨耗量为55 mg。而将HNBR/ NBR中再加入少量的羧基丁腈橡胶（XNBR）可获得性能优良的配方，羧基组分的引入能赋予共混胶料更高的拉伸强度和模量、更高的耐热撕裂和热拉伸强度、更好的耐臭氧性以及在高温老化后上述性能的良好保持率；5 %～50 %HNBR与50 %～95 %的CR共混，加入0.1 phr～10 phr硫脲和秋兰姆可提高CR耐臭氧能力和硫化速度，并可延长焦烧时间。另外，HNBR与CR并用胶还具有优异的拉伸和动态力学性能。
氟橡胶也可以与HNBR并用，耐寒性和耐燃油膨胀率极好。HNBR和EVA共混的硫化胶具有优良的强度和耐油、耐热性，且均一性良好。通过显微镜分析，5 %～95 %的HNBR分散在5 %～95 %的EVA里，其平均粒径小于25 μm。
氟硅聚合物及氟硅橡胶是以 -Si-O- 为主链，-CH2-CH2-CF3 为侧链的含氟聚硅氧烷，由于主链为半无机的有机硅结构，它在保持有机硅材料的耐热性、耐寒性、耐高电压性和耐气候老化等优异性能的基础上，由于含氟基团的引入，它又具有有机氟材料优异的耐烃类溶剂、耐油、耐酸碱性和更低的表面能性能。
硅氧烷为结构体的聚合物，同时也研制出了以FEM26、FEM2802、SKTFT - 50为代表的共聚氟硅橡胶，氟硅橡胶按硫化机理可分为自由基型（用过氧化物硫化）、缩合型和加成型；按硫化温度可分为高温硫化型和室温硫化型，室温硫化型又分为单组分型和双组分型。
氟硅橡胶兼有硅橡胶的耐高低温性能，优良的电性能及回弹性能和氟橡胶的耐油、耐溶剂、耐饱和蒸汽的特性，是目前唯一能在 -68 ℃～230 ℃的燃油介质中使用的橡胶材料。
经过对不同橡胶材料成分与性能的调研与分析，优选了三种橡胶试件进行高温性能试验，实验过程中，用恒温箱对每个试验温度点保温12小时，然后对橡胶试件测量一次硬度，对材料的硬度与温度的变化关系进行了对比分析，优选了适合热采井条件下的耐高温胶筒材料。
氟硅橡胶在200℃以上的邵氏硬度仍然稳定在75左右，能够适用于热采井注蒸汽时的高温环境，因此选择氟硅橡胶作为热采井管外封隔器的胶筒材料。
2.3 膨胀药剂优选
综合考虑热采井管外封隔器的结构特点及药剂充填时的操作方便，初步选定液体膨胀材料作为实验对象。
试验准备：
活塞装置（1套）、电加热带（1套）、温度传感器（1套）、隔热材料（2块）、拉压传感器（1套）、傳感器记录仪（1套）胶筒（3个）实验固定装置（1套）
经过实验数据分析比较，认为辛烷在高温下的膨胀性能较好，决定选用辛烷作为热采井管外封隔器的膨胀药剂。
3 实验结论
实验表明，研制的热采管外封隔器关键指标：开始座封温度150℃；座封时间，2h；密封压力，25MPa，实现了预期的目标。
热采管外封隔器在内径Φ220套管，温度270℃的试验条件下，密封压差达到25MPa无漏失，满足设计要求，能够进入现场推广应用。
关键词：热采井 管外封隔器 研制
1 问题的提出
目前，胜利油田利用热采水平井开发稠油油藏取得了显著效果，成为油田保持高产、稳产的主要技术手段之一。
热采井滤砂管裸眼防砂完井技术在胜利油区的多个稠油区块开发中虽然得到了广泛应用，但是目前存在以下主要问题：注蒸汽开采时热应力造成水平段筛管失稳，部分稠油热采区块的筛管完井水平井完井过程和热采过程中出现了筛管损坏现象；稠油油藏水平井实施筛管完井时，没有进行有效分段，发生水窜、汽窜后，后期措施难度大。
2 热采井管外封隔器的研制
针对水平井分段问题，国内外普遍采用长胶筒裸眼封隔器对水平井进行分段完井，为后期分段生产、分段卡堵水提供基础，但是由于橡胶不能承受注蒸汽时的高温环境，不能用于热采井分段完井。因此，目前大多数热采井分段封隔器是采用耐高温的金属铅封隔器，尽管能耐高温，但密封长度短，变形量小，不能适用于密封井段长、井眼不规则的环境。
因此开展热采井管外封隔器的研制十分有必要，通过研制该工具，可以实现稠油热采水平井的有效分段，防止汽窜、水窜的发生。工具入井时保持原状，当注蒸汽温度到达设定值时，动力药剂发生作用，推动液缸挤压耐高温胶筒，实现对裸眼井段的可靠密封。
2.1 工具结构原理
工作原理：当温度升高到150℃时，封隔器液缸内的热膨胀材料开始膨胀，使推力机构产生轴向推力，推动上下密封件变形。
结构创新：
①推力机构具有自锁装置，防止退回，实现密封件永久变形；
②采用两组胶筒，加大密封长度，保证环空的有效密封。
2.2 高温胶筒优选评价
汽车工业的发展对橡胶的耐热性和耐油性提出了越来越高的要求，已经被广泛使用的耐油橡胶有氟橡胶、氟硅橡胶、丁腈橡胶、氯醚橡胶、氯丁橡胶等，但单一的橡胶品种均难以同时满足耐油、耐热、耐腐蚀性介质、耐臭氧等苛刻的环境条件，HNBR就是在这种条件下诞生的一种特种橡胶，它可以在150℃的高温下长期使用，具有优良的耐热、耐非极性油、耐腐蚀性介质、耐臭氧性能，同时具有很高的物理机械性能和良好的动态力学性能，综合性能优越。
①HNBR的结构特性
在催化剂作用下，NBR经选择性氢化制得HNBR，反应式如下：
HNBR具有以下结构特点：
分子结构不规整，是非结晶性橡胶，无自补强性，纯胶硫化胶的拉伸强度只有3.0MPa～4.5MPa。因此，必须经补强后才有使用价值，炭黑补强硫化胶的拉伸强度可达25MPa～30Mpa，而优于丁苯橡胶。
由于分子链上引入了强极性的氰基，而成为极性橡胶。丙烯腈含量越高，极性越强，分子间力越大，分子链柔性也越差。
因分子链上含有双键，因而为不饱和橡胶。但双键数目随丙烯腈含量的提高而减少，即不饱和程度随丙烯腈含量的提高而下降。
相对分子质量分布较窄。如中高丙烯腈含量的丁腈橡胶相对分子质量分布指数为4.1。
与NBR相比，由于HNBR结构饱和，所以需要加入更多量的硫化剂体系才能使其达到与NBR相当的硫化程度。HNBR硫化胶无论在常温还是在高温下均具有较高的物理机械性能，耐热性、耐热油老化性、耐酸性汽油性、耐磨性、耐臭氧性较好，而脆性温度又较低。
在125℃以上长时间使用的耐油场所，除HNBR以外，还可以选用FKM、硅橡胶（VMQ）、聚丙烯酸酯橡胶（ACM）、乙烯-丙烯酸酯共聚橡胶（AEM）、氯醚橡胶（ECO）和氯化聚乙烯（CM）等。与这些橡胶相比，HNBR在物理机械性能、使用温度范围、耐油、耐腐蚀性介质、耐热等性能方面具有很好的综合平衡。
②HNBR动态力学特征
动态粘弹分析表明，与NBR、NR、CR等橡胶相比，HNBR在室温以上很宽的温度范围内具有较为平坦的tan6曲线，损耗因子变化很小。
将NBR和HNBR共混可制得具有优良硫化特性的耐热、耐油制品。其中一种配方为HNBR50 phr，NBR50 phr，硬脂酸1 phr，氧化锌5 phr，硫化促进剂1.5 phr和硫黄7 phr，混合后在160℃下硫化20 min，试样硬度为83，拉伸强度27.5 MPa，Taber磨耗量为15 mg，而无HNBR的试样硬度为75、拉伸强度为19.1 MPa、Taber磨耗量为55 mg。而将HNBR/ NBR中再加入少量的羧基丁腈橡胶（XNBR）可获得性能优良的配方，羧基组分的引入能赋予共混胶料更高的拉伸强度和模量、更高的耐热撕裂和热拉伸强度、更好的耐臭氧性以及在高温老化后上述性能的良好保持率；5 %～50 %HNBR与50 %～95 %的CR共混，加入0.1 phr～10 phr硫脲和秋兰姆可提高CR耐臭氧能力和硫化速度，并可延长焦烧时间。另外，HNBR与CR并用胶还具有优异的拉伸和动态力学性能。
氟橡胶也可以与HNBR并用，耐寒性和耐燃油膨胀率极好。HNBR和EVA共混的硫化胶具有优良的强度和耐油、耐热性，且均一性良好。通过显微镜分析，5 %～95 %的HNBR分散在5 %～95 %的EVA里，其平均粒径小于25 μm。
氟硅聚合物及氟硅橡胶是以 -Si-O- 为主链，-CH2-CH2-CF3 为侧链的含氟聚硅氧烷，由于主链为半无机的有机硅结构，它在保持有机硅材料的耐热性、耐寒性、耐高电压性和耐气候老化等优异性能的基础上，由于含氟基团的引入，它又具有有机氟材料优异的耐烃类溶剂、耐油、耐酸碱性和更低的表面能性能。
硅氧烷为结构体的聚合物，同时也研制出了以FEM26、FEM2802、SKTFT - 50为代表的共聚氟硅橡胶，氟硅橡胶按硫化机理可分为自由基型（用过氧化物硫化）、缩合型和加成型；按硫化温度可分为高温硫化型和室温硫化型，室温硫化型又分为单组分型和双组分型。
氟硅橡胶兼有硅橡胶的耐高低温性能，优良的电性能及回弹性能和氟橡胶的耐油、耐溶剂、耐饱和蒸汽的特性，是目前唯一能在 -68 ℃～230 ℃的燃油介质中使用的橡胶材料。
经过对不同橡胶材料成分与性能的调研与分析，优选了三种橡胶试件进行高温性能试验，实验过程中，用恒温箱对每个试验温度点保温12小时，然后对橡胶试件测量一次硬度，对材料的硬度与温度的变化关系进行了对比分析，优选了适合热采井条件下的耐高温胶筒材料。
氟硅橡胶在200℃以上的邵氏硬度仍然稳定在75左右，能够适用于热采井注蒸汽时的高温环境，因此选择氟硅橡胶作为热采井管外封隔器的胶筒材料。
2.3 膨胀药剂优选
综合考虑热采井管外封隔器的结构特点及药剂充填时的操作方便，初步选定液体膨胀材料作为实验对象。
试验准备：
活塞装置（1套）、电加热带（1套）、温度传感器（1套）、隔热材料（2块）、拉压传感器（1套）、傳感器记录仪（1套）胶筒（3个）实验固定装置（1套）
经过实验数据分析比较，认为辛烷在高温下的膨胀性能较好，决定选用辛烷作为热采井管外封隔器的膨胀药剂。
3 实验结论
实验表明，研制的热采管外封隔器关键指标：开始座封温度150℃；座封时间，2h；密封压力，25MPa，实现了预期的目标。
热采管外封隔器在内径Φ220套管，温度270℃的试验条件下，密封压差达到25MPa无漏失，满足设计要求，能够进入现场推广应用。