天然氣井試油完井過程中快速泄壓對井下工具密封性的影響

賈 海，王東林，潘 登，趙智勇，何亞彬，陳華良，黃靖富

1 中國石油川慶鉆探工程有限公司試修公司 2 中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司 3中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦

0 引言

隨著勘探開發向縱深發展，試油完井作業面臨最大作業井深超8 000 m，最高工作溫度超230 ℃，最高地層壓力超170 MPa等極端工況，對試油完井工藝技術提出了更大挑戰[1- 4]，特別是對試油完井井下工具的性能提出了更高要求。

試油完井作業中所有通過靜液柱壓力操作的壓控式井下工具均有空氣室，如RD循環閥、RD安全循環閥、可控封堵閥等，其空氣室的密封壓差是絕對靜液柱壓力，即液柱壓力和井口壓力的總和，有些超深高壓井儲層改造時，絕對靜液柱壓力高達210 MPa以上[5- 7]。

在川渝地區高溫高壓天然氣井的試油完井中，多次出現了壓控式井下工具破裂盤未被設定的環空操作壓力擊破而不能正常操作的現象，給試油完井作業帶來了困擾。例如可控封堵閥、RD循環閥、RD安全循環閥等工具多次出現因高壓天然氣進入工具的空氣室而造成工具不能動作，或動作后起工具途中芯軸上移循環孔被再次關閉的現象，之前把原因歸結為空氣室內的密封脂高溫氣化形成了圈閉壓力、密封面和密封元件的腐蝕或損傷造成了天然氣滲入形成的圈閉壓力等[8- 10]。當進一步認識了“氣體快速泄壓”(RGD)效應后，發現之前分析的工具失效原因并不完全正確，大部分問題是由于橡膠密封元件產生了RGD效應而造成的。

1 RGD效應的形成

RGD效應是指含氣系統中的壓降速率快于彈性體(聚合物)內部氣體的擴散速率時，快速壓降會導致滯留在彈性體內的氣體發生膨脹的現象[11- 13]。

1.1 RGD效應的破壞機理

橡膠在生產過程中會產生微小孔隙，在高壓作用下氣體會滲入到橡膠的微小孔隙中，并滯留其中直到完全飽和；當外部壓力突然降低時，滯留在橡膠孔隙中的氣體快速膨脹并產生氣泡，當由此產生的拉伸應力大于橡膠自身的拉伸強度時，裂紋形成并且擴張；在多次加壓泄壓循環條件下，致使孔隙周圍材料疲勞，導致爆炸分解，從內部破壞橡膠結構，使橡膠的密封性能降低，甚至失去密封性能[13]。RGD效應示意圖見圖1，受到RGD效應破壞的“O”型密封圈見圖2。

圖1 RGD效應示意圖

圖2 RGD效應后的“O”型密封圈

1.2 RGD效應的形成條件

橡膠中滲入的氣體量與所處環境的介質、壓力、溫度以及與介質接觸時間的長短密切相關。橡膠中氣體的分子越小、所接觸氣體的壓力越高、所在環境的溫度越高、接觸時間越長、吸入量越大，則橡膠達到飽和的時間也越短。

RGD效應的形成條件為：①氣體壓降速率必須快于橡膠內部氣體的擴散速率，壓降速率越大，對橡膠密封元件的損傷越大；②在一定溫度壓力條件下，氣體進入橡膠內部并達到飽和后，再快速降低氣體壓力，這個過程稱為一次壓降循環；經過多次壓降循環，會降低橡膠密封件的密封性能，直至密封性完全失效。

2 RGD對試油完井井下工具性能的影響

2.1 對井下工具密封性能的影響

試油完井井下工具的橡膠密封元件在井筒中所處的條件復雜，不僅要承受原油、天然氣、二氧化碳、硫化氫和酸堿井液等各種介質的侵蝕，還要承受溫度和壓力變化帶來的影響[14]。橡膠密封元件在RGD效應的影響下可能會發生變形、膨脹、表面產生“氣泡”或“氣爆”、產生裂紋等現象，導致井下工具的密封性能降低或密封失效。

2.2 對工具操作的影響

通過壓力控制的井下工具主要有兩種控制方式，一是通過流體形成油套壓差或上下壓差來驅動工具產生動作，二是通過施加絕對靜液柱壓力，與空氣室的大氣壓形成壓差來驅動工具產生動作，從而實現循環、開關井等功能。

由于一些井下工具的內部有空氣室，通過絕對靜液柱壓力操作的井下工具，更容易出現操作失敗的情況?？諝馐业纳?、下“O”型密封圈承受的壓差是管柱內工具位置的絕對靜液柱壓力，最高可達210 MPa以上(圖3a)。在氣井中作業時，空氣室最下端的“O”型密封圈會一直接觸高壓氣體，容易產生RGD效應。一旦橡膠密封元件的密封性能降低，高壓氣體就會滲入空氣室，形成圈閉壓力(圖3b)，造成破裂盤因壓差不足而不能被擊破，致使工具不能動作，造成工具操作不成功。

圖3 空氣室密封示意圖

2.3 對工具維護保養的影響

通過絕對靜液柱壓力操作的井下工具，如果產生了RGD效應，高壓天然氣滲入工具空氣室，在工具起出地面后，可能導致工具空氣室圈閉高壓天然氣，在維修保養期間可能產生部件高壓沖出損壞的風險；同時，可能發生高壓傷人、物體打擊等風險。

3 工具操作失敗的原因分析

川渝地區LS1井在試油作業期間出現可控封堵閥操作失敗的情況，以該井為例進行井下工具操作失敗的原因分析。

3.1 空氣室滲入高壓天然氣

LS1井地層溫度140.1 ℃，最高井口關井壓力為45.9 MPa，測試天然氣產量2.12×104m3/d。從圖4井下壓力溫度曲線可以看出，該井是高壓低滲井，即關井壓力恢復慢、開井壓力降低快的井。在操作可控封堵閥前，進行了1次儲層改造，改造的最高井底壓力是140.7 MPa，之后的6次關井形成的天然氣壓力緩慢升高和6次開井形成的天然氣壓力的快速壓降，壓降值為17.71～106.42 MPa，壓降速率為0.53～1.81 MPa/min，壓降速率超過1 MPa/min共3次。

在車間拆卸可控封堵閥上未被打破的破裂盤時，有高壓氣體從破裂盤安裝孔噴出，初步判斷是下空氣室進入了高壓天然氣并形成了圈閉壓力，造成破裂盤無法在設定的操作壓力值被擊破，導致工具操作失敗。在拆解可控封堵閥時，發現工具密封面完好，下空氣室的下“O”型密封圈都產生了變形、膨脹變大(圖5a)，其中1個“O”型密封圈有穿透性裂紋(圖5b)，符合RGD效應對橡膠密封元件造成的損壞。

圖4 LS1井井下壓力溫度曲線圖

圖5 “O”型密封圈損壞照片

3.2 現場工況提供了產生RGD效應的條件

由于川渝地區作業周邊環境人居密度大且天然氣井普遍存在含硫化氫的特點，試油完井作業過程中開井放噴通常在白天進行，晚上關井，因此，不可避免存在多次開井和關井的情況。通過對圖4分析可以看出，壓力曲線呈現出關井壓力恢復慢且終值高、開井壓力降低快且終值低、開井關井形成壓差大的特點。這樣的工況提供了產生RGD效應的條件，進一步證實了由RGD效應造成下空氣室密封性能降低，高壓天然氣滲入了下空氣室，產生了圈閉壓力，造成破裂盤無法在預設的操作壓力值被打破，從而導致工具操作失敗。

通過上述分析得出：在試油完井過程中，只有符合RGD效應產生的條件的井才會產生RGD效應。高壓低滲天然氣井更容易形成RGD效應的條件。針對高壓低滲天然氣井的試油完井作業，在施工作業前必須做好防止RGD效應產生措施和產生后的備用處置方案；在施工過程中，要控制好壓降速率，杜絕快速泄壓，同時盡量控制開井關井次數，避免形成RGD效應產生的條件。

4 耐RGD效應“O”型密封圈的優選實驗

井下工具常用的“O”型密封圈的橡膠材料以丁腈橡膠(NBR)和氟橡膠(FKM、FEPM)為主，全氟橡膠(FFKM)的“O”型密封圈只在超高溫下使用。LS1井發生RGD效應的“O”型密封圈材料為氟橡膠(FKM)，為了驗證RGD效應和優選耐RGD效應的“O”型密封圈的密封效果，開展物理模擬實驗。

4.1 實驗條件

選擇了規格尺寸相同(內徑75.57 mm，截面外徑5.33 mm)但材質不同的3種“O”型密封圈進行模擬井下工況的實驗，3種材料的“O”型密封圈各選取1個組成一組放在一起進行實驗(表1)。選擇工業天然氣作為實驗介質。為模擬井下工況，設定實驗溫度為140 ℃，實驗壓力為25 MPa。由于壓降速率越大，對橡膠密封元件損害越大，因此設定實驗壓降速率為2 MPa/min，實驗開始加壓并保持壓力的時間為10 h，壓降循環次數為7次。

表1 “O”型密封圈實驗組合

4.2 實驗過程

將第1組3個不同材料的“O”型密封圈裝入實驗裝置，并進行密封(圖6)。用實驗氣體吹掃實驗裝置內部直到空氣清除干凈，對實驗裝置內注入4 MPa的實驗氣體并加熱至140 ℃。注入實驗氣體至設定壓力值(25 MPa±0.5 MPa)，在設定壓力和溫度條件下保持10 h，再按2 MPa/min的降壓速率泄壓至0。1 h后重復壓力循環操作，共7次，其中第1次恒定壓力和溫度持續48 h。在第7次循環操作后期，降低實驗裝置的溫度至室溫。此后依次開展第2組和第3組實驗。

圖6 電熱恒溫箱內的實驗裝置照片

4.3 實驗結果

整體外觀對比：1#試件體積變化最大，體積增加約為原件的1倍；2#試件體積增加約為原件的0.3倍；3#試件未發生體積變化(圖7)。試件表面現象對比：1#試件出現明顯“氣爆”現象，表面出現多處坑洞；2#試件出現“氣泡”現象，表面出現多處鼓包；3#試件表面幾乎無變化(圖8)。

圖7 3種“O”型密封圈外觀對比圖

圖8 3種“O”型密封圈表面現象對比圖

通過實驗分析得出：1#、2#試件均受RGD效應影響，體積與表面出現明顯變化，耐RGD效應性能差；3#試件外觀與表面無明顯變化，耐RGD效應性能較優。優選全氟橡膠FFKM(Perfrez)的“O”型密封圈作為可控封堵閥空氣室的上、下“O”型密封圈。

5 現場應用效果

優選的耐RGD效應FFKM(Perfrez)“O”形密封圈在4口采用試油完井一體化工藝技術的井進行現場應用(表2)，其中ZJ2井和GS128井為高壓低滲天然氣井，ZJ2井的最高井口關井壓力為75.5 MPa，測試產能只有5.2×104m3/d；PT106井測試氣產量最高達85.1×104m3/d。4口井的可控封堵閥均在設定的操作壓力值擊破破裂盤實現可控封堵閥的成功關井封堵，證明優選的耐RGD效應“O”型密封圈在氣井試油完井作業中耐RGD效應的優異性能。

表2 FFKM(Perfrez)“O”型密封圈應用井統計表

6 結論及建議

(1)高壓低滲天然氣井在試油完井作業中易形成RGD效應產生的條件，致使空氣室產生圈閉壓力，從而造成井下工具操作失敗。通過模擬實驗驗證了常用“O”型密封圈在反復升壓和快速泄壓工況下極易發生RGD效應引起變形甚至損壞。

(2)通過模擬實驗優選出耐RGD效應的“O”型密封圈，現場試驗進一步驗證了優選的“O”型密封圈具有較好的耐RGD效應性能，解決了靜液柱壓力操作井下工具易受RGD效應影響的困擾。

(3)由于空氣室的上、下“O”型密封圈要承受絕對靜液柱壓力，工作條件苛刻，建議對空氣室的密封結構進行優化設計，減小空氣室上、下“O”型密封圈承受的密封壓差，以提高空氣室密封的可靠性，保證試油完井作業安全可控。