CN102839939A

CN102839939A - 一种耐超临界co2的封隔器

Info

Publication number: CN102839939A
Application number: CN2012103051203A
Authority: CN
Inventors: 魏宁; 李小春; 张茜; 王燕
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2012-08-25
Filing date: 2012-08-25
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-08-25
Also published as: CN102839939B

Abstract

本发明公开了一种超临界CO₂条件下可长期使用的封隔器，该封隔器中心管内壁设置有注气管，隔环、胶筒心轴及中心管上开设通气孔，并与注气管相连。封隔器坐封后，限位螺钉运行到限位孔的最上部，通气孔与注气管连通。N₂或Ar等化学惰性气体通过注气管经由通气孔进入到胶筒之间的环形空间，使其充满N₂。注入的N₂、Ar等化学惰性气体可以抑制CO₂进入到胶筒上面的环形空间，减小CO₂与胶筒接触后产生的腐蚀软化及破坏，起到保护胶筒的作用，保证了封隔器的密封性和工作周期；同时注入的气体对胶筒有进一步压缩作用，使胶筒与套管贴合的更加紧密，使其具有更好的密封能力。本发明可在腐蚀性环境下长期使用，具有很高的密封性能。

Description

一种耐超临界CO2的封隔器

技术领域

本发明属于地质封存装置领域，更具体涉及一种耐超临界CO₂的封隔器，适用于CO₂地质封存、采油、天然气等技术领域，特别适用于有较强腐蚀环境的钻井封隔。

背景技术

目前在CO₂地质封存工程内使用的封隔器基本源于油气、地矿等行业，总体上可以分为自封式、压缩式、楔入式和扩张式四类。其中压缩式应用最广泛，其变形产品也最多。随着石油后备储量勘探开发面临越来越恶劣的自然环境，石油开采作业的工况条件也越来越复杂，当含有油气的地层中有较强腐蚀性的流体时，封隔器的管柱及胶筒部分很快遭受到腐蚀破坏，特别是密封件部分的腐蚀破坏，造成封隔器的密封性能和使用寿命逐步下降。目前CO₂地质封存领域是新兴的行业，CO₂地质封存中的CO₂处于超临界状态，对橡胶等密封材料有很强软化及腐蚀效应，同时与地下盐水结合对金属部分也具有很强的腐蚀性，不论是橡胶筒还是中心管部分都会很快被腐蚀，尤其是胶筒部分腐蚀软化严重而失去密封性，致使CO₂通过封隔器形成泄漏通道，造成密封CO₂的泄漏。现今CO₂地质封存中使用的封隔器依然是传统采油气行业使用的封隔器，改变传统的密封件材料，采用氟橡胶、改性丁晴橡胶、Aflas等密封材料代替传统的密封原件；同时采用不锈钢和其他耐腐蚀材料代替传统金属部件，提高了CO₂环境下封隔器密封件的密封性能和使用寿命，但受限于当前的材料科学和工艺，使用寿命提高的程度有限。CO₂地质封存对封隔器的密封性和可靠性提出了新的要求，因而需要研发一种能够长期适用于CO₂环境下的封隔器。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种耐超临界CO₂的封隔器，能够长期耐超临界CO₂的腐蚀作用，也可以用于油气田含CO₂和其他腐蚀性介质环境下的井下分层作业。可以抑制CO₂进入到胶筒上面的环形空间，减小了CO₂与胶筒接触后产生的腐蚀软化及破坏，起到了保护胶筒的作用，保证了封隔器的密封性和工作周期；同时，充入的N₂对胶筒有进一步压缩作用，使胶筒与套管贴合的更加紧密。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种耐超临界CO₂的封隔器，包括中心管，所述的中心管上部套设有胶筒心轴管，胶筒心轴管从上至下依次套设有上胶筒、上隔环、中胶筒、下隔环和下胶筒，上隔环和下隔环上均设置有限位螺钉，胶筒心轴管上设置有与限位螺钉对应的纵向限位孔，中心管上开设有与纵向限位孔位置对应的纵向限位凹槽，限位螺钉一端穿过纵向限位孔并伸入纵向限位凹槽内，上隔环上还设置有第一通气孔，下隔环上还设置有第二通气孔，中心管内放置有注气管，上隔环和下隔环在纵向限位孔的限定下滑动到最上方时，第一通气孔通过依次穿过胶筒心轴管和中心管的第一连通通道与注气管连通，第二通气孔通过依次穿过胶筒心轴管和中心管的第二连通通道与注气管连通；上隔环和下隔环在纵向限位孔的限定下离开最上方位置时，第一通气孔与第一连通通道断开连通，第二通气孔与第二连通通道断开连通。

一种耐超临界CO₂的封隔器，还包括套设在中心管上并位于下胶筒下方的下外筒套，中心管与下外筒套之间从上至下依次设置有承压座、连接块、滑块和液压座，承压座上端与下胶筒接触，承压座下端与连接块接触，连接块与下外筒套固定连接，连接块和滑块通过坐封销钉连接，中心管的管壁上对应于滑块和液压座之间的位置开设有注水孔。

如上所述的下外筒套底端内壁设置有齿状的卡瓦，中心管底端外壁设置有与卡瓦适配的卡簧，卡簧位于卡瓦上方。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、结构简单、设计合理、工作可靠，能够长期耐超临界CO₂的腐蚀作用，也可以用于油气田含CO₂或其他腐蚀性介质环境下的井下分层作业。

2、N₂或Ar等化学惰性气体通过注气孔，进入到压缩胶筒之间的环形空间，使该环形空间充满N₂，一方面N₂有化学惰性的效果，可以减少腐蚀性流体对套管和封隔器的腐蚀破坏，充入的N₂的压力略高于胶筒下方的CO₂的压力，可以抑制CO₂进入到胶筒上面的环形空间，减小了CO₂与胶筒接触后产生的腐蚀软化及破坏，起到了保护胶筒的作用，保证了封隔器的密封性和工作周期；另外一方面，充入的N₂对胶筒有进一步压缩作用，使胶筒与套管贴合的更加紧密，使其具有更好的密封能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A部坐封前结构放大示意图；

图3为图1中A部坐封后结构放大示意图；

图4为数值模拟模型示意图（坐标轴表示模型的尺寸）；

图5为上边界通入CO₂下边界通入N₂，时间为0，1000，5000，1e4，1e6s时，胶筒Y方向的N₂浓度曲线(横坐标表示模型Y向尺寸，单位为mm；纵坐标表示N₂气体浓度，单位为mol/ m³)；

图6为上边界通入CO₂下边界通入N₂，时间为0，1000，5000，1e4，1e6s时，胶筒Y方向的CO₂浓度曲线(横坐标表示模型Y向尺寸，单位为mm；纵坐标表示CO₂气体浓度，单位为mol/ m³)；

图7为仅在下边界通入CO₂，时间为0，1000，5000，1e4，1e6s时，胶筒Y方向的CO₂浓度曲线(横坐标表示模型Y向尺寸，单位为mm；纵坐标表示CO₂气体浓度，单位为mol/ m³) 。

图中：1-上接头；2-螺钉；3-上外筒套；4-第一O型圈；5-胶筒心轴管；601-第一通气孔；602-第二通气孔；701-上隔环；702-下隔环；8-中心管；9-承压座；10-下外筒套；11-连接块；12-第二O型圈；13-坐封销钉；14-滑块；15-注水孔；16-液压座；17-解封销钉；18-泄压活塞；19-卡簧；20-卡瓦；21-下接头； 22-注气管；23-限位螺钉；2401-上胶筒；2402-中胶筒；2403-下胶筒；25-纵向限位孔；26-套管；2701-第一连通通道；2702-第二连通通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例：

如图1~图3所示，一种耐超临界CO₂的封隔器，包括中心管8，所述的中心管8上部套设有胶筒心轴管5，胶筒心轴管5从上至下依次套设有上胶筒2401、上隔环701、中胶筒2402、下隔环702和下胶筒2403，上隔环701和下隔环702上均设置有限位螺钉23，胶筒心轴管5上设置有与限位螺钉23对应的纵向限位孔25，中心管8上开设有与纵向限位孔25位置对应的纵向限位凹槽，限位螺钉23一端穿过纵向限位孔25并伸入纵向限位凹槽内，上隔环701上还设置有第一通气孔601，下隔环702上还设置有第二通气孔602，中心管8内放置有注气管22，上隔环701和下隔环702在纵向限位孔25的限定下滑动到最上方时，第一通气孔601通过依次穿过胶筒心轴管5和中心管8的第一连通通道2701与注气管22连通，第二通气孔602通过依次穿过胶筒心轴管5和中心管8的第二连通通道2702与注气管22连通；上隔环701和下隔环702在纵向限位孔25的限定下离开最上方位置时，第一通气孔601与第一连通通道2701断开连通，第二通气孔602与第二连通通道2702断开连通。

一种耐超临界CO₂的封隔器，还包括套设在中心管8上并位于下胶筒2403下方的下外筒套10，中心管8与下外筒套10之间从上至下依次设置有承压座9、连接块11、滑块14和液压座16，承压座9上端与下胶筒2403接触，承压座9下端与连接块11接触，连接块11与下外筒套10固定连接，连接块11和滑块14通过坐封销钉13连接，中心管8的管壁上对应于滑块14和液压座16之间的位置开设有注水孔15。

下外筒套10底端内壁设置有齿状的卡瓦20，中心管8底端外壁设置有与卡瓦20适配的卡簧19，卡簧19位于卡瓦20上方。

提供惰性气体氛围的注气管22一同随封隔器下入井中，到达设计深度后，向中心管8内注入液体，液体通过注水孔15进入由滑块14和液压座16构成的液压室，到达坐封压力后，推动滑块14运动，剪断坐封销钉13，推动连接块11向上运动，带动下外筒套10上行，使承压座9压缩下胶筒2403、中胶筒2402和上胶筒2401，上隔环701和下隔环702上移，胶筒颈项压缩膨胀，贴紧套管26内壁。由于下外筒套的上行，卡瓦20卡在卡簧19中，坐封完成后下外筒套不会回落，保持坐封状态。坐封后，第一通气孔601通过依次穿过胶筒心轴管5和中心管8的第一连通通道2701与注气管22连通，第二通气孔602通过依次穿过胶筒心轴管5和中心管8的第二连通通道2702与注气管22连通。坐封稳定后N₂从地面注入，经过注气管22进入下胶筒2403、中胶筒2402和上胶筒2401压缩膨胀后与上隔环701和下隔环702形成的环形空间内，注气管22为1/8"管。

本发明是在胶筒压缩之后，通过注气管22注入化学惰性气体，如N₂，N₂沿管道通过第一通气孔601和第二通气孔602进入到胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）之间的环形空间，使其充满N₂，充满的N₂压力比胶筒下部CO₂的压力高，减小了与CO₂之间的浓度梯度，使CO₂不易向胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）方向运移扩散，极大的减轻了CO₂与胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）接触后，对胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）产生的腐蚀软化和破坏。同时，充入的N₂对胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）有进一步的压缩作用，使胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）和套管26贴合地更加紧密，使封隔器具有更好的密封性，并且向套管26和封隔器提供了很好的化学惰性氛围，起到对橡胶材料和金属材料的保护作用，极大的减轻了超临界CO₂及其他腐蚀性介质对套管26及封隔器的腐蚀破坏。

运行期间，保持封隔器的坐封状态，同时保证注气管22和高压N₂控制泵连通，N₂控制泵控制井底N₂压力20MPa（高于地层内CO₂压力15 MPa）。

由于胶筒（上胶筒2401、中胶筒2402和下胶筒2403）是极轴对称的，因此可以选取任意一部分作为代表。同时最下部的下胶筒2403处于CO₂和N₂两种气体氛围中，因此只需要考虑最下部胶筒的计算。对研究对象进行抽象建模，如图4所示：长=70mm，宽=34mm。设定橡胶的孔隙度设为0.01，密度为1130kg/m³。

设T=80℃=353K；R=8.31；Z(N₂)=1.06，Z(CO₂)=0.55。边界上的气体浓度通过气体状态方程，得到。

上边界条件：施加20MPa的压力，N₂和 CO₂气体的摩尔浓度分别为C__N2=6432mol/m³；C__CO2=0mol/m³。

下边界条件：施加15MPa的压力， N₂和 CO₂气体的摩尔浓度分别为C__N2=9297mol/m³ ；C__CO2=0mol/m³。

已知N₂的分子扩散系数为1.32×10^-6m²/s，CO₂的分子扩散系数为1.38×10^-6m²/s，由于N₂气压高于CO₂压力，橡胶孔隙内的气体平均速度为u=10^-9m/s；气体的机械弥散系数取值1×10^-11m²/s；经过计算可以得到在任意时间橡胶中N₂和CO₂的浓度分布。图5和图6分别表示地是时间为0，1000，5000，1e4，1e6秒时Y方向上N₂和CO₂浓度分布。

图7表示的是仅仅在下边界施加15MPa的压力，通入9297mol/m³的CO₂，而得到的时间为0，1000，5000，1e4，1e6秒时Y方向上CO₂浓度分布。对比这三个表可以看出，在胶筒上边界不加N₂时，一段时间后，胶筒中不同部位的CO₂的浓度与下边界通入气体的初始浓度一致，说明一段时间后下边界通入的CO₂突破了橡胶筒的阻隔，进入到上部空间。然而，倘若在上边界加入N₂，则仅在橡胶筒的下边界有较高浓度的CO₂，从中部开始CO₂的浓度急剧下降，一段时间后橡胶内部不同部位的CO₂浓度达到了平衡，不再变化。

从图6可以看出，CO₂没有突破橡胶的阻隔。由此可知，N₂的存在有效的抑制了CO₂向胶筒方向的运移，将CO₂浓度限定在一定的范围内，使得橡胶筒的使用寿命得到了极大的延长。由此说明，本发明对于减缓CO₂对橡胶的腐蚀是有效的。对于胶筒与套管接触的部分，N₂氛围同样对CO₂通过微缝隙向上泄漏有着有效的阻止作用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种耐超临界CO₂的封隔器，包括中心管（8），其特征在于，所述的中心管（8）上部套设有胶筒心轴管（5），胶筒心轴管（5）从上至下依次套设有上胶筒（2401）、上隔环（701）、中胶筒（2402）、下隔环（702）和下胶筒（2403），上隔环（701）和下隔环（702）上均设置有限位螺钉（23），胶筒心轴管（5）上设置有与限位螺钉（23）对应的纵向限位孔（25），中心管（8）上开设有与纵向限位孔（25）位置对应的纵向限位凹槽，限位螺钉（23）一端穿过纵向限位孔（25）并伸入纵向限位凹槽内，上隔环（701）上还设置有第一通气孔（601），下隔环（702）上还设置有第二通气孔（602），中心管（8）内放置有注气管（22），上隔环（701）和下隔环（702）在纵向限位孔（25）的限定下滑动到最上方时，第一通气孔（601）通过依次穿过胶筒心轴管（5）和中心管（8）的第一连通通道（2701）与注气管（22）连通，第二通气孔（602）通过依次穿过胶筒心轴管（5）和中心管（8）的第二连通通道（2702）与注气管（22）连通；上隔环（701）和下隔环（702）在纵向限位孔（25）的限定下离开最上方位置时，第一通气孔（601）与第一连通通道（2701）断开连通，第二通气孔（602）与第二连通通道（2702）断开连通。

2.根据权利要求1所述的一种耐超临界CO₂的封隔器，其特征在于：还包括套设在中心管（8）上并位于下胶筒（2403）下方的下外筒套（10），中心管（8）与下外筒套（10）之间从上至下依次设置有承压座（9）、连接块（11）、滑块（14）和液压座（16），承压座（9）上端与下胶筒（2403）接触，承压座（9）下端与连接块（11）接触，连接块（11）与下外筒套（10）固定连接，连接块（11）和滑块（14）通过坐封销钉（13）连接，中心管（8）的管壁上对应于滑块（14）和液压座（16）之间的位置开设有注水孔（15）。

3.根据权利要求2所述的一种耐超临界CO₂的封隔器，其特征在于：所述的下外筒套（10）底端内壁设置有齿状的卡瓦（20），中心管（8）底端外壁设置有与卡瓦（20）适配的卡簧（19），卡簧（19）位于卡瓦（20）上方。