適用于連續(xù)油管的封隔器管串結(jié)構(gòu)及原理分析

王 瑤，馮 強(qiáng)，劉 欣，王治華，王慶菊，丁柯宇

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300450；2.渤海鉆探油氣合作開發(fā)分公司，天津300280）①

連續(xù)油管（Coiled Tubing，簡稱 CT）是相對(duì)于常規(guī)單根螺紋連接油管而言的，又稱為撓性油管、蛇形管或盤管，是一種纏繞在卷筒上、可以連續(xù)下入或起出的無螺紋連接的長油管［1－2］。近年來，連續(xù)油管以其高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種井下作業(yè)，其中包括噴砂射孔壓裂工藝。

國外應(yīng)用于連續(xù)油管噴砂射孔壓裂作業(yè)的井下工具按封隔形式分為砂塞封隔、可鉆橋塞封隔和封隔器封隔3種［3－5］。完成噴砂射孔作業(yè)后砂塞封隔需要第2趟管柱完成沖砂作業(yè)，可鉆橋塞需要第2趟管柱完成鉆塞作業(yè)，而封隔器封隔只需解封封隔器便可，因此具有工藝簡單、時(shí)間成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

由于連續(xù)油管的一些局限性，應(yīng)用于連續(xù)油管噴砂射孔壓裂的封隔器還需要解決一些技術(shù)問題［6－8］，例如：

1） 封隔器外徑過大，易卡鉆。連續(xù)油管只能提供有限的軸向力，靠機(jī)械力坐封時(shí)，只能采用外徑十分接近套管內(nèi)徑的擠壓式封隔器。因此，將傳統(tǒng)封隔器應(yīng)用于連續(xù)油管時(shí)膨脹比例＜1.04，有限的環(huán)空和壓裂液中固體支撐劑的堵塞極易引起卡鉆，并且卡鉆后連續(xù)油管無法提供足夠的打撈力。

2） 無法提供可靠的坐封。壓裂作業(yè)時(shí)，壓裂液壓力可達(dá)40MPa以上，橡膠材質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)在高溫高壓下極不穩(wěn)定，因此很難保證可靠的坐封。

3） 解封時(shí)間長。在高溫高壓下，傳統(tǒng)封隔器靠自身恢復(fù)原狀，解封時(shí)間過長或最終無法完成完全解封，甚至因此而形成砂橋，降低了作業(yè)效率，增加了卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

目前，已有幾家國外公司研制出能夠解決以上問題并擁有多年作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的連續(xù)油管噴砂射孔壓裂用封隔器，其普遍具有的特點(diǎn)為：1次下入可完成任意次噴砂射孔、壓裂作業(yè)；特殊材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的膠筒可反復(fù)利用上百次；膨脹比最高可達(dá)1.14。此類設(shè)計(jì)屬于連續(xù)油管作業(yè)工具尖端技術(shù)。本文就一種典型的適用于連續(xù)油管的封隔器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝介紹［9］，并以139.7mm（5英寸）套管為例，列舉其相關(guān)參數(shù)。

1 部件組成和工藝原理

該封隔器管串從上至下依次包括：坐封單元和對(duì)坐封起輔助作用的錨組件、截流閥組件，如圖1所示。用于噴砂射孔壓裂時(shí)，封隔器上部連接噴槍和連續(xù)油管通用工具（例如：連接器、雙瓣閥、循環(huán)閥、脫斷器等）。

圖1 封隔器整體結(jié)構(gòu)

該噴砂射孔壓裂作業(yè)工藝過程如下：

1） 用連續(xù)油管將鉆具送入套管中指定位置。

2） 增加連續(xù)油管中液體流速，以液壓的形式實(shí)現(xiàn)錨組件的錨定，同時(shí)液體清理了套筒壁，卡瓦將鉆具定位，并保證鉆具的軸向?qū)χ小?/p>

3） 下壓連續(xù)油管，給封隔器提供軸向力，使封隔器完成初步坐封，同時(shí)關(guān)閉了截流閥，阻止液體從管串下部流出。

4） 增加循環(huán)液體流速使密封件完全坐封。

5） 實(shí)施射孔作業(yè)和壓裂作業(yè)。

6） 分步驟上提連續(xù)油管完成解封。

2 坐封單元結(jié)構(gòu)及工作原理

坐封單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要部件包括：過濾器、頂環(huán)、軟橡膠筒、硬橡膠筒、彈簧和下部短節(jié)。

圖2 坐封單元

坐封單元的密封件包含2個(gè)環(huán)形并相連的密封元件，主密封件為軟橡膠材質(zhì)密封筒，硬橡膠筒位于軟橡膠筒下部，硬橡膠筒中嵌入了環(huán)形螺旋彈簧。硬橡膠筒和彈簧用來防止高壓坐封時(shí)軟橡膠筒被擠入下部環(huán)空，彈簧可以協(xié)助軟橡膠筒和硬橡膠筒在解封時(shí)快速恢復(fù)原狀，提高解封效率、有效避免卡鉆。軟橡膠可以采用腈或高飽和腈材料，硬橡膠的硬度要高于95HD，通常是由幾種原料混合制成，如腈和氫化丁腈橡膠等。

坐封分為3個(gè)過程：

1） 管串錨定后，下壓連續(xù)油管，使中心管相對(duì)外殼向下移動(dòng)，關(guān)閉了截流閥，直至扶正單元下表面與過濾外殼上表面接觸，繼續(xù)下壓便將軟橡膠筒壓入環(huán)空實(shí)施初步坐封，如圖3a所示，初封壓力約為6.9MPa。

2） 循環(huán)液經(jīng)過濾器流入軟膠筒內(nèi)部形成液壓，液壓向外擴(kuò)張軟橡膠筒、硬橡膠筒和彈簧原件實(shí)現(xiàn)完全坐封，如圖3b所示。

3） 實(shí)施壓裂作業(yè)時(shí)高壓壓裂液會(huì)通過過濾器進(jìn)入軟橡膠筒內(nèi)腔，壓力可達(dá)到13.8～48.3MPa，進(jìn)一步增強(qiáng)密封效果。

圖3 坐封過程示意

解封時(shí)，通過上提連續(xù)油管打開截流閥，流體從管串尾部流出，釋放封隔器密封組件的壓力，實(shí)現(xiàn)初步解封。中心管隨連續(xù)油管向上移動(dòng)后，坐封單元頂環(huán)與下部短節(jié)間距離將大于膠筒長度，從而使膠筒內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，強(qiáng)制膠筒解封，加快解封速度，并有效降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

3 坐封輔助組件結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 錨組件［10－11］

錨組件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要部件包括：①錨定原件：活塞、卡瓦等；②控制原件：彈簧、活塞、短節(jié)等。

圖4 錨組件

錨活塞上有對(duì)應(yīng)于卡瓦的斜面，如圖5所示。在液壓作用下錨活塞向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)卡瓦錨定于套管?？ㄍ咝泵鎯A角可設(shè)置為8.13°，產(chǎn)生7倍于軸向力的徑向力。

圖5 錨活塞與卡瓦

控制原件的短節(jié)有一些圓錐面，當(dāng)短節(jié)被固定在特定位置時(shí)，錐面在液壓作用下與活塞和彈簧相互作用，控制著錨定結(jié)構(gòu)的錨定與解錨?？刂圃Y(jié)構(gòu)簡單，無剪釘、投球等限制作業(yè)次數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此可在1次入井后不限次數(shù)反復(fù)錨定。

壓裂作業(yè)時(shí)，含支撐劑的壓裂液從環(huán)空高壓注入地層中由射孔形成的孔洞中，環(huán)空壓力比地層壓力高34.5～69.0MPa，同時(shí)連續(xù)油管和管串中的循環(huán)液流速降為0.1m3／min，流速的下降導(dǎo)致工具中的壓差從3.5MPa下降到0.7MPa，但依然足夠提供錨定力。

3.2 截流閥

截流閥組件通過將密封件壓入內(nèi)部縮徑實(shí)現(xiàn)密封截流，主要部件為密封件，如圖6所示。密封組件包括：密封圏、第1阻塞環(huán)、第2阻塞環(huán)、帽螺釘。第1阻塞環(huán)硬度最高，可采用熱塑性材料；第2阻塞環(huán)硬度適中，可采用光纖填充的聚四氟乙烯；密封環(huán)硬度最低，可采用人造橡膠。第1阻塞環(huán)采用相對(duì)較硬的材料，可以避免沙粒對(duì)密封件的磨損，閥關(guān)閉時(shí)液體中夾雜了很多固體顆粒，這些固體顆粒進(jìn)入第2阻塞環(huán)中保護(hù)了密封環(huán)。阻塞環(huán)要足夠軟，以吸收固體顆粒，保證整個(gè)密封件不被卡在縮徑里，特別是在閥多次開關(guān)以后，軟質(zhì)材料更容易實(shí)現(xiàn)密封。帽螺釘由鋼制成，與中心管螺紋連接，帽螺釘固定了第1阻塞環(huán)、第2阻塞環(huán)和密封圈。

圖6 節(jié)流閥密封件結(jié)構(gòu)

4 封隔器管串特點(diǎn)

1） 由軟橡膠筒、硬橡膠筒、彈簧組合而成密封原件。該設(shè)計(jì)一方面在保證密封可靠的前提下提供了足夠的膨脹比例，解決了封隔器半徑過大、易卡鉆的問題；另一方面加快了解封速度并保證解封完全。

2） 機(jī)械力與液壓混合動(dòng)力坐封，更適用于連續(xù)油管。

3） 橡膠筒上部增加過濾器原件。該設(shè)計(jì)保證了實(shí)施高壓力作業(yè)時(shí)的安全坐封。

4） 解封時(shí)封隔器外殼設(shè)計(jì)為分段上提。該設(shè)計(jì)在解封上提管串時(shí)能夠使橡膠筒內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，保證解封完全，避免卡鉆。

5） 整體管串沒有類似剪釘、投球設(shè)計(jì)，不限制作業(yè)次數(shù)。

6） 3層結(jié)構(gòu)的截流閥密封件能夠有效降低固體顆粒對(duì)密封圈的磨損，保證了多次開關(guān)后截流閥依然能夠有效工作。

5 結(jié)語

目前，我國大力發(fā)展連續(xù)油管技術(shù)，但還沒有研制出適用于連續(xù)油管的封隔器，為縮短研發(fā)周期、提升研發(fā)水平，可充分借鑒國外已有技術(shù)。本文介紹的封隔器不但可用于噴砂射孔壓裂作業(yè)，還可應(yīng)用于酸化等需要進(jìn)行井筒封隔的其他工藝；另外，該結(jié)構(gòu)配合普通鉆桿使用也存在較明顯優(yōu)勢，因此具有較廣闊的市場應(yīng)用前景。

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