基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器研制

劉玉民　劉哲岳

1.中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院 2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院

劉玉民等.基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器研制.天然氣工業(yè)，2016， 36（9）: 102-106.

基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器研制

劉玉民1劉哲岳2

1.中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院 2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院

劉玉民等.基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器研制.天然氣工業(yè)，2016， 36（9）: 102-106.

為了滿足水平井裸眼分段壓裂工藝對懸掛封隔器的“下得去、掛得住、脫得開、封得住、提得出”的更高要求，研制了雙向錨定密封懸掛封隔器。該懸掛封隔器由中心管、主體、雙向錨定管柱機(jī)構(gòu)、環(huán)形空間密封機(jī)構(gòu)、定位球及控制閥組成，其主要技術(shù)特點(diǎn)包括：①該懸掛封隔器不但具有雙向錨定管柱、密封環(huán)形空間的功能，而且還具有無需鉆柱倒扣或者另設(shè)丟手工具就可以實(shí)現(xiàn)鉆柱與懸掛封隔器分開的特性；②具有“只有投球后進(jìn)液通道才能打開—懸掛機(jī)構(gòu)坐掛—密封機(jī)構(gòu)坐封—中心管解脫”聯(lián)動(dòng)程序的控制閥，避免了懸掛封隔器提前坐掛、完鉆后鉆桿無法解脫的問題，也確保了懸掛封隔器若未坐掛可應(yīng)急提出整個(gè)管柱；③新穎的多級防退設(shè)計(jì)，提高了雙向錨定管柱、環(huán)形空間密封的性能；④設(shè)計(jì)了具有在常規(guī)解脫失效時(shí)確保鉆具提出的安全機(jī)構(gòu)。地面模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的雙向錨定密封懸掛封隔器的雙向錨定管柱、環(huán)形空間密封、安全起出鉆柱等性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

水平井分段壓裂懸掛封隔器懸掛器安全程控雙向錨定密封

裸眼分段壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于低豐度、低滲透、低產(chǎn)出油氣水平井的完井改造。在水平井裸眼完井施工過程中實(shí)現(xiàn)一趟管串多級分段壓裂，以達(dá)到提高單井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)的目的。懸掛器是石油天然氣鉆完井經(jīng)常使用的井下工具［1-8］，懸掛封隔器也是水平井裸眼分段壓裂的常用工具［9-18］。為了滿足裸眼分段壓裂工藝對懸掛封隔器“下得去、掛得住、脫得開、封得住、提得出”的更高要求，研制了基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器。

1　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1應(yīng)該達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

1）雙向錨定管柱能力：2 000 kN；

2）環(huán)形空間密封能力：60 MPa；

3）使用溫度：-40～+150 ℃。

1.2應(yīng)該滿足的工況條件

1）要能夠下入內(nèi)徑?224.5 mm套管之中。

2）在此工具施工之前管內(nèi)的液壓變化不影響工具的正常工作。

3）保證壓裂封隔器施工所投球順利通過此工具內(nèi)孔。

4）既要確保將工具以下套管可靠懸掛在技術(shù)套管內(nèi)壁，又要抵抗壓裂作業(yè)時(shí)套管向上的上抬力。

5）確保套管回接所需的接口。

2　結(jié)構(gòu)及原理

2.1結(jié)構(gòu)

基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器主要由送入中心管（含安全銷釘?shù)龋?、主體、雙向錨定管柱機(jī)構(gòu)（含卡瓦、卡瓦滑套、坐掛剪銷、卡簧等）、環(huán)形空間密封機(jī)構(gòu)（含膠筒、密封滑套、密封剪銷、卡簧等）、定位球、控制閥（含工作球、內(nèi)套、進(jìn)液銷釘、球座銷釘?shù)龋┙M成，如圖1所示。

圖1　基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2原理

基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器隨管柱下入預(yù)定位置后，投球憋壓，控制閥開啟，懸掛機(jī)構(gòu)坐掛；繼續(xù)升壓，密封機(jī)構(gòu)坐封；繼續(xù)升壓，控制閥繼續(xù)動(dòng)作，定位球移除，送入中心管與主體解脫；上提送入中心管與主體脫開，最后鉆桿與送入中心管同時(shí)起出。

2.3技術(shù)特點(diǎn)

1）設(shè)計(jì)了具有多級聯(lián)動(dòng)功能的安全程控閥。當(dāng)投球后，便可依次完成“只有當(dāng)投球后進(jìn)液通道才能打開—懸掛機(jī)構(gòu)坐掛—密封機(jī)構(gòu)坐封—中心管解脫”的聯(lián)動(dòng)程序。避免了懸掛封隔器提前坐掛和完鉆后鉆桿無法解脫的問題，也確保了懸掛封隔器若未坐掛可應(yīng)急提出整個(gè)管柱。

2）設(shè)計(jì)了具有多級防退性能的雙向錨定管柱機(jī)構(gòu)，使得懸掛封隔器既能有效懸掛管柱，又能可靠地抵抗管柱受到的向上的反推力。

3）設(shè)計(jì)了具有多級防退性能的環(huán)形空間密封機(jī)構(gòu)，提高了環(huán)形空間密封性能。

4）設(shè)計(jì)了具有在常規(guī)解脫失效時(shí)確保鉆具提出的安全機(jī)構(gòu)。當(dāng)送入中心管一旦不能正常解脫時(shí)，向鉆桿內(nèi)投擲安全球，安全機(jī)構(gòu)將送入中心管一分為二，送入中心管上半部分隨鉆桿起出，為后期作業(yè)打下基礎(chǔ)。

3　計(jì)算

1）設(shè)錐體錐角為2α，錐體懸重為P，卡瓦均勻分布，卡瓦與套管內(nèi)壁摩擦系數(shù)為μ1，卡瓦與錐體表面的摩擦系數(shù)為μ2，如圖2所示。

圖2　錐體、卡瓦受力分析圖

2）分析錐體的懸重（P）和卡瓦的反力（T）的作用關(guān)系。

因?yàn)檎龎毫和摩擦力（μ2N）是卡瓦的反力在錐面上兩個(gè)分力，所以也可寫成：

得到tgβ=N/（μ2N），即

3）分析卡瓦受力情況。

卡瓦內(nèi)錐面上受到錐體對卡瓦的正應(yīng)力和摩擦力，合力為卡瓦的反力，卡瓦牙處受到外層套管法向壓力（N1）和摩擦力，在這些力的作用下，卡瓦處于平衡。

由于外層套管法向壓力、摩擦力是卡瓦的反力的分力，所以可寫成：

要防止卡瓦打滑（自鎖），摩擦力應(yīng)大于卡瓦的反力的軸向分力，即：

將式（4）代入式（7），整理得：

將式（3）代入式（8），整理得：

令μ1= 0.5（卡瓦外表面有牙齒，故卡瓦與套管內(nèi)壁摩擦系數(shù)大），μ2= 0.1（卡瓦內(nèi)表面與錐體外表面均較光滑，故而知之間摩擦系數(shù)較?。瑒t得：α＜20.85o。

4）懸掛封隔器的懸掛負(fù)荷計(jì)算。

為使計(jì)算模型簡化（圖3），假設(shè)：①卡瓦在受力時(shí)和套管緊貼，卡瓦外圓面受力均勻分布，力的作用線通過圓心；②卡瓦作用區(qū)以外的套管不影響卡瓦作用區(qū)的應(yīng)力；③卡瓦和錐體受力時(shí)不變形；④套管受力后直徑不變；⑤套管為薄壁筒；⑥卡瓦均勻分布。

圖3　套管、卡瓦受力分析圖

據(jù)圖3所示，可列出下列方程式：

則

式中σ表示套管材料最小屈服極限，MPa，若244.5 mm套管為N80鋼級，則σ=551.58 MPa；δ表示套管壁厚，mm，δ=10.033 mm；L表示卡瓦作用面長，mm，L=90 mm；F表示卡瓦作用面積，mm2；Q表示卡瓦外圓面上平均壓力，N/mm2；θ表示圓心角，（o），θ1=16.25o，θ2=73.75o；r表示套管內(nèi)半徑，mm，r =112.25 mm。

根據(jù)式（2），得

將式（15）代入式（5）得：

卡瓦外圓面平均壓力q= N1/F= N1/（4F卡），則

式中F卡表示單片卡瓦的外圓面積（設(shè)共有4片相同的卡瓦），mm2，F(xiàn)卡=2πrL（θ2-θ1）/360=πrL（θ2-θ1）/180。

將式（17）代入式（14）得：

令A(yù)=11.25（cosθ1-cosθ2）/［π（θ2-θ1）］，則

于是得出額定負(fù)荷公式：

式中n表示安全系數(shù)，取2；α表示錐體半錐角，（o），α=17.5o。

解得：P額=2 518.6 kN。另外，計(jì)算得：當(dāng)n=1.3時(shí)，P額=3 874.78 kN； 當(dāng)n=1時(shí)，P額=5 037.2 kN。

4　地面模擬試驗(yàn)

4.1地面模擬試驗(yàn)流程

1）按管串程序把工具連接好（預(yù)先將工作球放入工具中），如圖4所示。

2）將泵車管線和管串連接好，清水循環(huán)至稍有壓力波動(dòng)，放氣。

圖4　懸掛封隔器動(dòng)作試驗(yàn)管串圖

3）緩慢憋壓至5.0～6.0 MPa，剪斷進(jìn)液銷釘，進(jìn)液通道打開。

4）繼續(xù)憋壓保持在5.0～6.0 MPa，剪斷坐掛銷釘，卡瓦坐掛，穩(wěn)壓3 min。

5）繼續(xù)憋壓至10.0～11.0 MPa，剪斷坐封銷釘，膠筒坐封，穩(wěn)壓3 min。

6）繼續(xù)憋壓至15.0～16.0 MPa，剪斷工作球座銷釘，憋掉球座，壓力回零。

7）將管線與接頭、接頭與工具上接頭螺紋先后卸開，向懸掛封隔器上端投球后，再分別連接所卸開接頭，如圖4所示。

8）緩慢升壓至15.0～16.0 MPa，剪斷安全銷釘。

9）拆卸管串，將送入中心管從主體中拆出來。

10）將高壓泵出水管線與環(huán)空測試接頭連接，如圖5所示。

圖5　懸掛封隔器環(huán)形空間密封性能試驗(yàn)管串圖

11）升壓至開始滲漏。

12）放壓回零。

13）將高壓泵出水管線與環(huán)空測試接頭拆卸掉。

14）將工具放置在拉壓架中，如圖6所示。

圖6　懸掛封隔器雙向錨定管柱性能試驗(yàn)管串圖

15）施加軸向壓力，直至工具發(fā)生移動(dòng)。記錄工具移動(dòng)時(shí)的壓力值。

16）拆卸工具。

17）工具放置原位，清理現(xiàn)場。

4.2地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

記錄地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

1）坐掛、坐封、脫開及安全起出鉆柱的剪銷壓力的準(zhǔn)確、可靠。

2）雙向錨定管柱、環(huán)形空間密封、脫開及安全起出鉆柱性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1　懸掛封隔器地面模擬試驗(yàn)記錄

5　結(jié)論

1）基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器設(shè)計(jì)了雙向錨定管柱機(jī)構(gòu)，使得懸掛封隔器既能有效懸掛管柱，又能可靠地抵抗管柱受到的向上的反推力。

2）基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器設(shè)計(jì)了具有多級聯(lián)動(dòng)功能的控制閥，避免了懸掛封隔器提前坐掛和完鉆后鉆桿無法解脫的問題，也確保了懸掛封隔器若未坐掛可應(yīng)急提出整個(gè)管柱。

3）基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器設(shè)計(jì)了具有在常規(guī)解脫失效時(shí)確保鉆具提出的安全機(jī)構(gòu)，當(dāng)送入中心管一旦不能正常解脫時(shí)，送入中心管上半部分能隨鉆桿起出，為后期作業(yè)打下基礎(chǔ)。

4）地面模擬試驗(yàn)表明：基于安全程控的雙向錨定密封懸掛封隔器的雙向錨定管柱、環(huán)形空間密封、脫開及安全起出鉆柱性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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（修改回稿日期 2016-07-16 編輯 凌忠）

Research and development of a suspending packer with bidirectional anchoring and sealing based on safety program

Liu Yumin1， Liu Zheyue2
（1. Drilling Engineering Technology Research Institute， CNPC Daqing Drilling Engineering Company， Daqing，Heilongjiang 163413， China； 2. School of Energy Resources， China Uniνersity of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.102-106， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

When open-hole staged fracturing of horizontal wells is carried out， the suspending packer should have the advantages of smooth running， fast hanging， convenient separating， good sealing and easy pulling out. In this paper， a suspending packer with bidirectional anchoring and sealing was developed to meet these requirements. This suspending packer is composed of central pipe， main part，bidirectional anchoring string mechanism， annulus seal mechanism， positioning ball and control valve. Technically， it presents the following characteristics. First， it can fulfill the functions of bidirectional anchoring string and sealing annulus， and separate the suspending packer from the drilling string without drill string backing-off or another releasing-tool setting. Second， it is equipped with the control valve with the linkage program of "opening the incoming fluid channel only after ball dropping， setting hanger mechanism， setting seal mechanism， and releasing the center pipe"， so as to avoid the premature setting of suspending packer and guarantee the releasing of drilling pipes after drilling and the emergent pulling out of entire string in the case of failed setting of suspending packer. Third， the novel multistage anti-receding design improves the performance of bidirectional anchoring string and annulus seal. And fourth， the safety mechanism is designed to make sure that drilling tools can be pulled out in case of conventional releasing failures. The suspending packer with bidirectional anchoring and sealing was tested by performing ground simulation experiments. It is shown that its performance of bidirectional anchoring string， annulus seal and safe pulling out of drilling string can meet the design requirements.

Horizontal well； Staged fracturing； Suspending packer； Hanger； Safety program； Bidirectional anchoring； Seal

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.012

中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“采油及井下作業(yè)新技術(shù)新裝備研究與現(xiàn)場試驗(yàn)”（編號：2008C-2801）。

劉玉民，1965年生，高級工程師，碩士；主要從事油氣鉆井、完井工具方面的研究工作。地址：（163413）黑龍江省大慶市紅崗區(qū)八百坰。電話：（0459）4893474。ORCID: 0000-0003-0823-2757。E-mail: liuyumin@cnpc.com.cn