一種新型懸掛封隔器的研究與應用

鄒剛，榮佳佳　(四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434000)

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一種新型懸掛封隔器的研究與應用

鄒剛，榮佳佳(四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434000)

[摘要]針對塔里木深井、超深井裸眼水平段分段壓裂改造中，懸掛封隔器無法一趟管柱滿足坐封丟手回插作業(yè)的要求，研制了新型懸掛封隔器。該懸掛封隔器是一種具有插管功能的液壓封隔器，耐高溫177℃，耐高壓70MPa，通徑達到101.60mm，特殊的鋸齒螺紋送入丟手回插可靠，最大承受拉力100t。通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應用，證明了該懸掛封隔器結構合理，密封丟手可靠，能滿足塔里木地區(qū)水平井裸眼完井分段壓裂的工況要求。

[關鍵詞]懸掛封隔器；裸眼水平井；密封插管

目前，國內(nèi)外常見的水平井分段壓裂技術有水力噴射壓裂技術、復合橋塞分段壓裂、連續(xù)油管壓裂技術、限流壓裂技術以及多種工藝的復合壓裂技術等，但這些技術都具有一定的局限性[1～3]。水平井裸眼分段壓裂不僅是一項先進的完井工藝技術，而且是低壓、低滲透油氣藏開發(fā)非常重要的增產(chǎn)措施，近年來一直在國內(nèi)推廣使用，其能實現(xiàn)水平井不動管柱生產(chǎn)。因此，水平井裸眼封隔器加滑套分段壓裂技術中的懸掛封隔器作為水平井分段壓裂配套工具的重要組成部分，在多層壓裂過程中的作用至關重要，其性能直接影響著裸眼分段壓裂施工的效果。

塔里木油田油藏埋藏深，多為深井和超深井，水平段長。針對塔里木地區(qū)的高溫深層碳酸鹽巖超長水平井，塔里木油田采用“懸掛封隔器+液壓裸眼封隔器+投球式滑套”分段酸壓改造工具進行分多段、大規(guī)模多級交替壓裂改造。水平井分段壓裂時，懸掛封隔器坐封在拐點前的直井段處，在整個管柱中起著承接作用，是起到有效懸掛封隔、酸壓測試生產(chǎn)管柱轉化的重要節(jié)點產(chǎn)品。但是現(xiàn)有的懸掛封隔器無法實現(xiàn)一趟管柱作業(yè)，而有些永久封隔器可以實現(xiàn)長期的采油注水等作業(yè)，但該工具需要專門的坐封工具坐封，連接繁瑣且需要起下2趟管柱才能完井，多起下一趟管柱不僅成本高，還附加了作業(yè)風險。該懸掛封隔器要求液壓封隔器，具有插管封隔器的功能，并且還能回收；封隔器必須具有大通徑，以便能勝任完井封隔器的功能；該懸掛封隔器能耐高溫耐高壓，同時承受著反復的插拔過程，如果密封不嚴，插拔不可靠，將嚴重影響整個裸眼分段壓裂管柱的性能；為了降低成本，還需要一趟管柱完成坐封丟手回插生產(chǎn)的功能。為此，筆者針對上述問題設計了一種新型懸掛封隔器。

1結構及工作原理

水平井裸眼完井分段壓裂專用懸掛封隔器結構如圖1所示。

懸掛封隔器的原理是利用配套的插管及球座在封隔器內(nèi)孔處形成密封，實現(xiàn)一趟管柱入井，送到預定層位，從油管內(nèi)打壓，利用封隔器本身的活塞產(chǎn)生推力，當推力達到設定的啟動壓力后剪斷鎖環(huán)背圈上的剪切銷釘，活塞缸在液壓力的作用下，推動鎖環(huán)背圈傳遞力于卡瓦，通過上下錐體擠壓密封膠筒，在設計的坐封壓力下，封隔器上下卡瓦破裂并與套管內(nèi)壁咬合，膠筒膨脹并密封，完成坐封；同時封隔器內(nèi)部的鎖環(huán)鎖住坐封力，維持卡瓦和膠套的坐封。

注：　　　1-中心管；2-調(diào)整環(huán)； 3-緊定螺釘；4-上卡瓦；5-錐體；6-剪切銷；7-外背圈；8-內(nèi)背圈；9-橡膠套擋圈；　　　10-膠套；11-O型圈；12-承留環(huán)；13-錐體；14-下卡瓦；15-鎖環(huán)；16-鎖環(huán)套；17-活塞；18-O型圈；　　　19-O型圈；20-O型圈背圈；21-劈環(huán)套；22-活塞；23-上坐封套；24-緊定螺釘；25-下坐封套；26-導環(huán)；　　　27-下接頭；28-劈環(huán)；29-剪切銷。圖1　懸掛封隔器結構示意圖

圖2　中心管上端馬牙扣

該懸掛封隔器中心管上端采用馬牙扣螺紋(見圖2)，用于和密封插管的連接，該馬牙扣螺紋是一個特殊的鋸齒型螺紋，內(nèi)螺紋的大徑平行于軸向，小徑與軸向呈2°的夾角，這種螺紋的設計既便于送井工具的送入，保證承受一定的軸向力，也便于后期送井工具的丟手，通過旋轉可以從馬牙扣退出。

圖3　密封組件

該懸掛封隔器密封系統(tǒng)采用3個膠筒組合(見圖3)，兩端膠筒為金屬與高分子材料制成的組合膠筒，中間膠筒為高分子材料制成的易壓縮膠筒，但是兩端膠筒由背圈、防突金屬環(huán)和高分子材料制成，其中背圈為耐腐蝕金屬絲編織而成的金屬絲網(wǎng)，并且金屬絲網(wǎng)與高分子材料經(jīng)高溫高壓固化成一體，兩端膠筒的內(nèi)壁設有用于防止高分子材料被擠壓破壞的防突金屬環(huán)。在使用時，3個獨立膠筒配合使用，兩端膠筒中的金屬絲網(wǎng)在壓縮力作用下逐漸張開，兩端膠筒產(chǎn)生形變進一步封堵套管或裸眼內(nèi)空隙。密封組件采用三膠筒結構，利用兩端膠筒調(diào)節(jié)壓縮高度，可用于封堵較大套管環(huán)空及裸眼環(huán)空，并能承受雙向壓差。

封隔器總長1666mm，最大外徑149.23mm，最小內(nèi)通徑101.60mm，啟動壓力20MPa，坐封壓力30MPa，膠筒外徑146.07mm，最高工作溫度177℃，最大承壓80MPa，材質(zhì)：42CrMo和HT300，封隔器與插管連接處鋸齒螺紋承受最大拉力100t。主要性能特點如下：①具有較大的內(nèi)通徑，為后續(xù)生產(chǎn)留有較大的通道，并可以承受70MPa；②膠套采用金屬鋼絲網(wǎng)與HNBR膠筒混合硫化，使得膠筒能耐溫177℃；③不需要單獨的坐封工具坐封，通過地面打壓方式坐封封隔器；④下井時，插管直接插入封隔器，一趟管柱完成坐封及插管錨定；⑤插管與封隔器通過特殊鋸齒螺紋連接，便于插管的回收，最大承受100t拉力；⑥棘輪鎖環(huán)保持坐封負荷，保證壓力變化下仍可以安全坐封；⑦封隔器中心管選用42CrMo，其他部分采用HT300，因此封隔器可通過套銑鉆除后打撈。

2配套工具結構與原理

配套工具中除了常規(guī)工具外，密封插管是設計的關鍵部件。懸掛封隔器的配套密封插管如圖4所示。

注：　　　1—上接頭；2—蓋帽；3—緊定銷釘；4—O型圈密封；　　　5—卡瓦套；6—錨短節(jié)；7—密封盤根；8—下接頭。　　圖4　懸掛封隔器配套密封插管

配套密封插管的原理是將密封插管插入懸掛封隔器中，使得密封插管的特殊鋸齒螺紋與懸掛封隔器上端鋸齒螺紋配合，密封插管的盤根密封在懸掛封隔器的中心管內(nèi)孔上，密封插管上端接鉆桿或油管。根據(jù)該方式用密封插管將懸掛封隔器和以下部分送入到預定層位，投球打壓，因密封插管與懸掛封隔器通過密封盤根和O型圈密封，因此懸掛封隔器在液壓作用下坐封。當對懸掛封隔器驗掛時，因特殊鋸齒螺紋連接可承受一定程度的拉力，當需要與懸掛封隔器脫手時，保持過提1t負荷，正轉油管大于10圈，上提即可丟手。

配套密封插管總長741mm，最大外徑145.03mm，最小內(nèi)通徑76.20mm，密封段長度130mm，最高工作溫度177℃，最大承壓80MPa，材質(zhì)42CrMo，鋸齒螺紋承受最大拉力100t。配套工具主要性能特點如下：①采用盤根密封，確保送入取出回插的滑動密封；②特殊的鋸齒螺紋設計，確保懸掛封隔器掛的住、下得去、脫得掉。

3室內(nèi)試驗

3.1膠筒試驗

圖5　膠筒承壓壓力曲線圖

將封隔器裝入套管中，升溫至規(guī)定的試驗溫度177℃后，由中心筒加壓至規(guī)定的坐封力，使膠筒坐封，在膠筒的上下兩端依次加壓至規(guī)定的工作壓差，每次穩(wěn)壓5min，不串、不漏為密封合格。

膠筒承壓壓力曲線如圖5所示，壓力測試分別在3000psi(1psi≈7kPa)后穩(wěn)壓5min 100psi的壓降；然后將壓力打壓至5000psi后穩(wěn)壓5min 100psi的降壓；接著將壓力打至7200psi后穩(wěn)壓5min基本無降壓；繼續(xù)打壓至10000psi(70MPa)穩(wěn)壓30min 200psi的降壓，穩(wěn)壓能達到API 11D1標準；然后泄壓解封后，取出膠筒，上下背圈完全打開，膠筒完整，說明膠筒在177℃高溫下承壓10000psi(70MPa)穩(wěn)定可靠。

3.2特殊鋸齒螺紋拉力測試

將密封插管插入懸掛封隔器后，將密封插管的上接頭和懸掛封隔器的下接頭分別連接于液壓延時機上進行懸掛處的特殊鋸齒螺紋的拉力測試。當拉力達到80t時，密封插管與懸掛封隔器的特殊鋸齒螺紋處無位移，螺紋無拉脫。繼續(xù)增加拉力達到100t時，密封插管與懸掛封隔器的特殊鋸齒螺紋處仍然無位移，螺紋無拉脫，拉力滿足要求。

3.3整機試驗

利用高溫高壓試驗井對該懸掛封隔器進行密封耐溫耐壓性能試驗。試驗時，先從中心管打壓坐封封隔器，再泵送液壓油分別進行上壓、下壓測試，測試曲線如圖6所示。由圖6可知，該懸掛封隔器在模擬177℃的試驗井內(nèi)上下壓承壓能力為70MPa(10000psi)。

利用高溫高壓試驗井對該懸掛封隔器進行丟手試驗。在上下壓完成測試后，將井口用液壓扭矩鉗夾緊，保持大約1t的上提負荷，正轉。當正轉到10扣時，密封插管與懸掛封隔器脫手。

根據(jù)廠內(nèi)試驗結果，表明懸掛封隔器滿足插管封隔器的功能，懸掛處特殊鋸齒螺紋承壓拉力滿足100t的要求，鋸齒螺紋連接和丟手方便可靠，懸掛封隔器耐溫177℃，承上壓力能力滿足10000psi(70MPa)。丟手后，產(chǎn)品內(nèi)徑101mm，為后續(xù)生產(chǎn)預留了較大通道。

圖6　懸掛封隔器上下壓測試曲線圖

4現(xiàn)場應用

該新型懸掛封隔器在新疆塔里木油田進行了50余次的現(xiàn)場應用，最大下入深度6100m，成功率100%。

4.1中古5-H2

在塔里木油田中古5-H2，下入新型懸掛封隔器器和裸眼封隔器分段改造完井工具至預定深度5800m。

1)坐封。正替50m3優(yōu)質(zhì)坂土漿后投38.1mm樹脂球，之后用24.7m3原井漿送球入座，泵壓15MPa，排量150～200L/min，然后分級正打壓20、25和30MPa，分別穩(wěn)壓10、20和30min坐封新型懸掛封隔器器和裸眼封隔器。

2)驗掛。下放管柱至懸重1500kN，上提管柱至懸重1700kN，驗掛合格(坐封時懸重1620kN)。

3)驗封。連接水泥車管線，關封井器，反打壓15MPa/30min不降，驗封合格。

4)丟手。上提管柱至懸重1750kN，正轉20圈，上提一單根懸重1700kN不變(原懸重1700kN)，丟手成功。

4.2中古21-H5

中古21-H5在原井泥漿中(密度1.38g/cm3)下入7in SQS封隔器+遇油膨脹封隔器完井管柱；坐封丟手后全井筒替成密度1.20g/cm3的有機鹽后起出送入管柱，然后下入回插管柱對裸眼段進行放噴求產(chǎn)測試。坐封30MPa，驗封15MPa，過提1t，正轉15圈丟手成功。

5結論

1)該懸掛封隔器結構設計合理，密封可靠，丟手可靠，能滿足塔里木地區(qū)的工況要求，完全適用于水平井裸眼完井分段壓裂。

2)該懸掛封隔器實現(xiàn)了一趟管柱完成測試、改造、求產(chǎn)、封堵、回采等各項施工，節(jié)約施工時間，縮短工程周期，減少事故發(fā)生的機率，帶來良好的經(jīng)濟效益。

[參考文獻]

[1]楊富，鄒國曙，馬得華，等.蘇里格氣田蘇平36-6-23井裸眼完井分段壓裂技術[J].石油鉆采工藝，2010，32(4)：46～50.

[2] 柴國興，劉松，王慧莉.新型水平井不動管柱封隔器分段壓裂技術[J].中國石油大學學報：自然科學版，2010，34(4)：141～145.

[3] 劉猛，董本京，張友義.水平井分段完井技術及完井管柱方案[J].石油礦場機械，2011，40(1)：28～32.

[編輯]辛長靜

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0065-04

[中圖分類號]TE931.1

[作者簡介]鄒剛(1981-)，工程師，現(xiàn)主要從事油田設備與井下工具方面的研究工作；E-mail：zougang@sjs.servacorp.com。

[基金項目]中石化石油工程機械股份有限公司科研項目(SG1313-04K)。

[收稿日期]2015-10-28

[引著格式]鄒剛，榮佳佳.一種新型懸掛封隔器的研究與應用[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(4)：65～68.