可解掛雙向錨定懸掛封隔器關(guān)鍵技術(shù)

梁文龍， 薛占峰 ， 馬蘭榮

（1. 中國石化華北油氣分公司，河南鄭州 450006；2. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

水平井多級滑套分段壓裂是低滲透油氣藏的主要增產(chǎn)方式之一，其具有效率高、施工連續(xù)、增產(chǎn)效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]。雙向錨定封隔器是多級滑套分段壓裂的核心工具，主要用于完井管柱的送入、雙向錨定和重疊段環(huán)空的封隔，其性能直接影響壓裂施工的成敗[2-3]。

常規(guī)雙向錨定封隔器在現(xiàn)場應(yīng)用過程中存在一些問題：操作不當(dāng)或發(fā)生井下落物時(shí)可能會提前坐掛、坐封；進(jìn)行環(huán)空封壓能力測試時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)高壓密封失效的問題；常規(guī)雙向錨定封隔器多為永久式，一旦坐封將無法解封起出，只能進(jìn)行套銑或鉆除，甚至可能造成油氣井報(bào)廢[4-9]。為了進(jìn)一步提高雙向錨定封隔器的可靠性，筆者研制了可解掛式雙向錨定懸掛封隔器，開展了高承載技術(shù)、高壓密封技術(shù)、防提前坐封技術(shù)和解掛技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，并進(jìn)行了可解掛式雙向錨定懸掛封隔器進(jìn)的性能測試及現(xiàn)場應(yīng)用，均取得了預(yù)期效果。

1 可解掛雙向錨定懸掛封隔器的結(jié)構(gòu)及原理

可解掛雙向錨定懸掛封隔器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：1）送入工具要具備防提前坐封功能，同時(shí)具備機(jī)械、液壓雙作用丟手功能，以確保懸掛封隔器安全下入及順利丟手；2）采用合金卡瓦，以保證懸掛封隔器的錨定能力，同時(shí)增加解掛功能，在出現(xiàn)提前坐掛情況時(shí)，確?？山鈷觳⑻岢龇飧羝?；3）采用整體式卡瓦結(jié)構(gòu)，以增大卡瓦接觸面積、降低對套管的損傷，提供重載錨定，并保證在解掛后有效回收卡瓦；4）采用三膠筒結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)對套管的適應(yīng)性。

基于上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，研制了用于多級滑套分段壓裂的可解掛雙向錨定懸掛封隔器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該封隔器由送入工具、防提前坐封裝置、懸掛封隔單元和解掛單元組成，具備重載錨定、高壓封隔、防提前坐封和機(jī)械液壓雙作用丟手等功能。

圖1 可解掛雙向錨定懸掛封隔器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of detachable bi-directional anchoring suspension packer

該封隔器的工作原理是：采用送入工具將錨定封隔器及尾管送至預(yù)定位置，投入憋壓球進(jìn)行管內(nèi)憋壓，剪斷封隔器啟動銷釘，液缸推動回接筒擠壓膠筒，膠筒擠壓卡瓦；卡瓦錨定完成后繼續(xù)憋壓，坐封膠筒；膠筒坐封后起出管串，再次下入回接插頭進(jìn)行回接鎖定；解掛時(shí)，首先下入解掛工具，解掛工具與封隔器錨定，然后上提管串，回接筒不再擠壓膠筒和卡瓦，膠筒及卡瓦復(fù)位，實(shí)現(xiàn)解掛。

2 封隔器關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 高承載技術(shù)

分段壓裂施工過程中，錨定封隔器首先要具備尾管懸掛功能，同時(shí)要防止壓裂過程中井底高壓導(dǎo)致的管串向上竄動，因此，封隔器要具備雙向錨定功能。封隔器的錨定卡瓦主要有分瓣式和整體式2種，相較于分瓣式卡瓦，整體式卡瓦與套管內(nèi)壁的接觸面積更大，軸向應(yīng)力分布更加合理，可以降低對套管的損傷。

常規(guī)永久式錨定封隔器無解掛功能，一旦出現(xiàn)提前坐掛情況，必須能夠快速鉆除，因此一般采用鑄鐵制造整體卡瓦。由于鑄鐵的強(qiáng)度和硬度偏低，卡瓦錨定效果不理想，存在錨定能力低的問題。為提高卡瓦錨定效果，同時(shí)保證解掛后有效復(fù)位，選用合金鋼制造卡瓦，并采用整體式卡瓦結(jié)構(gòu)（見圖2）。卡瓦設(shè)多條應(yīng)力槽，坐掛時(shí)卡瓦擴(kuò)張支撐井壁，解掛后復(fù)位。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料熱處理工藝優(yōu)化，可提高錨定性能和下入安全性能。

圖2 整體式卡瓦的結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of integrated slip

該封隔器要求卡瓦重載錨定解掛后可進(jìn)行回收，卡瓦本體具備較高韌性的同時(shí)，卡瓦牙要具備較高的耐磨性和硬度，因此選用20CrMnTi鋼作為制造卡瓦的材料，進(jìn)行后期熱處理，采用局部滲碳回火處理方式，使卡瓦肋部獲得大量的回火馬氏體組織、齒部獲得大量的淬火馬氏體組織，在保證卡瓦本體具有較高韌性的同時(shí)，保證卡瓦牙具有較高的硬度，以滿足卡瓦的錨定性能、耐沖擊性能和可回收性能要求。

采用有限元方法研究整體式卡瓦在壓裂施工過程中的性能，分析卡瓦結(jié)構(gòu)、卡瓦材料等對卡瓦坐掛、解掛性能的影響。根據(jù)卡瓦的工作原理，建立有限元模型，并對其邊界進(jìn)行處理：1）約束卡瓦，使其只具有沿周向運(yùn)動的自由度；2）建立卡瓦與錐套、卡瓦與套管內(nèi)壁、錐套與本體之間的接觸。制造卡瓦的材料為20CrMnTi鋼，本體及套管的材料為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼（見表1）。分別在卡瓦兩側(cè)施加約束，分析卡瓦受力及變形情況。壓裂時(shí)膠筒需要承受70 MPa的壓差，由卡瓦進(jìn)行錨定。因此，從卡瓦上端面施加671.3 kN的壓力，計(jì)算卡瓦受力。

表1 整體式卡瓦材料的參數(shù)Table 1 Materials parameters of integrated slip

根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算von Mises應(yīng)力，結(jié)果如圖3所示。擴(kuò)張過程中最大受力位置位于卡瓦肋部，應(yīng)力為257.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于2.0的要求，卡瓦受力較為均勻。

圖3 整體式卡瓦受力分析結(jié)果Fig. 3 Force analysis results of integrated slip

2.2 高壓密封技術(shù)

分段壓裂施工時(shí)施工壓力較高，為保護(hù)上層套管，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，防止環(huán)空壓力傳遞至井口，需要對套管重疊段進(jìn)行封隔，要求封隔器具備高壓密封性能。

傳統(tǒng)雙向錨定封隔器膠筒大多采用一體式膠筒，通過擠壓膠筒，使其變形與外層套管產(chǎn)生接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)環(huán)空封隔。這種膠筒結(jié)構(gòu)簡單，膠筒較短，如果封隔井段出現(xiàn)固相沉積或者套管變形，容易封壓失效，因此其井況適應(yīng)性較差，密封可靠性不高。

可解掛雙向錨定封隔器采用三膠筒密封結(jié)構(gòu)，膠筒之間采用V形配合，兩兩保護(hù)（見圖4）。膠筒采用2種不同硬度的橡膠，中間膠筒硬度較低，作為主要的密封部件；兩側(cè)膠筒硬度較高，保護(hù)中間膠筒的同時(shí)，進(jìn)行雙重密封。為防止坐封及密封過程中膠筒擠壓外凸，膠筒兩側(cè)有防突環(huán)，防突環(huán)周向有多條割縫，膠筒坐封過程中緊貼膠筒外側(cè)，保護(hù)膠筒。為防止因防突環(huán)遇阻引起的膠筒提前坐封，防突環(huán)與錐套采用了一體化設(shè)計(jì)。

圖4 密封裝置的組成Fig. 4 Structure of sealing device

2.3 防提前坐封技術(shù)

壓裂管柱入井后會因與井壁磕碰或者落物等原因?qū)е路飧羝魈崆白鴴?，為保證下入安全，設(shè)計(jì)了防提前坐封裝置，既能保證封隔器不會提前坐掛，又能保證封隔器到位后正常坐掛、坐封。

防提前坐封裝置位于回接筒和送入工具之間，結(jié)構(gòu)如圖5所示。其左端的支撐爪連接送入工具本體，其右端支撐擋塊連接回接筒，確?；亟油驳倪\(yùn)動與坐封工具同步，即使回接筒外部環(huán)空出現(xiàn)落物并遇阻，也不會提前坐封。封隔器達(dá)到預(yù)定位置坐掛坐封時(shí)，管內(nèi)憋壓坐封，剪斷啟動銷釘，液缸推動支撐組件向右移動，支撐爪和支撐擋塊回收，送入工具和回接筒之間產(chǎn)生相對軸向運(yùn)動，防提前坐封裝置不再起作用。

圖5 防提前坐封裝置的結(jié)構(gòu)Fig. 5 Structure of pre-setting prevention device

2.4 解掛技術(shù)

封隔器入井過程中若中途遇阻并提前坐掛坐封，可下入專門的解掛工具將封隔器解掛解封。設(shè)計(jì)的解掛工具結(jié)構(gòu)如圖6所示，初始狀態(tài)下，由解掛套和支撐卡簧支撐封隔器及尾管，當(dāng)解掛工具下至封隔器位置，其外表面的馬牙扣與封隔器回接筒錨定。解掛工具伸縮定位塊與封隔器的解掛套錨定。上提管串，剪斷解掛剪釘，解掛套與支撐卡簧產(chǎn)生相對運(yùn)動，支撐卡簧失去支撐后回收，不再對封隔器產(chǎn)生鎖緊作用，封隔器本體可以上下移動，膠筒和卡瓦回彈，實(shí)現(xiàn)解掛。該解掛形式不受壓差和尾管懸重的影響，同時(shí)不影響壓裂施工作業(yè)[10]。

圖6 可解掛式雙向錨定封隔器與解掛工具的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the detachable bi-directional anchoring packer and detachment tool

3 封隔器性能測試

為了驗(yàn)證可解掛雙向錨定懸掛封隔器的性能，模擬現(xiàn)場環(huán)境，分別進(jìn)行了錨定性能、封壓性能、防提前坐封裝置性能和整機(jī)解掛解封性能測試。

3.1 封隔器錨定性能

為了測試封隔器錨定單元的錨定性能，研制了錨定性能測試裝置?？ㄍ咄鈴綖?49.0 mm，試驗(yàn)套管內(nèi)徑為159.0 mm。采用機(jī)械加載坐掛，坐掛載荷為120 kN，坐掛后卸載，環(huán)空加壓檢測卡瓦錨定性能，加載至1 200 kN，保持30 min（見圖7），卡瓦無滑移。對支撐封頭反向加載1 200 kN，保持30 min，卡瓦滑移2.0 mm，滿足性能要求。卸載，卡瓦回彈，回彈后外徑151.0 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 卡瓦懸掛能力測試曲線Fig. 7 Test curve of the slip suspension capacity

3.2 封隔器密封性能

為了測試封隔器錨定單元的密封性能，研制了密封性能測試裝置。封隔器膠筒外徑148.0 mm，試驗(yàn)套管內(nèi)徑為159.0 mm。試驗(yàn)裝置上下各有一個(gè)加壓封頭，可分別進(jìn)行加壓，采用機(jī)械加載方式坐封膠筒。為模擬現(xiàn)場井況，將試驗(yàn)裝置放入到加熱裝置中，加熱至80 ℃，機(jī)械加載49 kN，完成坐封。之后環(huán)空加壓，逐級加壓至35，50，70和80 MPa，穩(wěn)壓15 min無壓降（見圖8）。泄壓后，逐級加溫至100，120，140 和 160 ℃，保溫 10 h，分別從兩端加壓，均能實(shí)現(xiàn)80 MPa密封，共密封34 h。泄壓、卸載，膠筒回彈，檢測膠筒外徑為152.0 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 封隔器密封性能測試曲線Fig. 8 Curve for the packer pressure-sealing performance

3.3 防提前坐封裝置性能

模擬現(xiàn)場施工中的遇阻井況，測試防提前坐封裝置對封隔器的保護(hù)作用。將封隔器底部進(jìn)行固定，加工工裝單獨(dú)支撐回接筒部分，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)推動回接筒，檢測防提前坐封裝置抗剪性能。裝置加載載荷分別為 20，50，100，200，300和 500 kN，封隔器均未坐封。試驗(yàn)結(jié)果表明，防提前坐封裝置可有效保護(hù)封隔器，即使在遇阻500 kN的情況下封隔器仍不會坐封。管內(nèi)憋壓15 MPa，封隔器開始正常坐封，防提前坐封裝置失效。

3.4 封隔器解掛解封性能

為模擬現(xiàn)場封隔器解掛、解封操作，在模擬試驗(yàn)井進(jìn)行入井性能測試。試驗(yàn)套管內(nèi)徑為159.0 mm，封隔器最大外徑為152.0 mm。利用管串將封隔器下至預(yù)定位置，管內(nèi)憋壓至25 MPa，先坐掛坐封，正轉(zhuǎn)機(jī)械丟手，起出送入工具。下入解掛工具至封隔器位置，懸重減小50 kN時(shí)解掛工具與封隔器錨定；上提解掛工具，至懸重增大200 kN時(shí)剪斷解掛剪釘；繼續(xù)緩慢上提，將封隔器起出井口，順利實(shí)現(xiàn)解掛、解封。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

可解掛雙向錨定懸掛封隔器在鄂爾多斯盆地20多口井進(jìn)行了應(yīng)用，均順利實(shí)現(xiàn)坐掛、坐封，并對環(huán)空起到有效的密封作用，確保了壓裂施工作業(yè)的正常進(jìn)行，解決了常規(guī)雙向錨定封隔器存在的密封失效和提前坐掛等問題。下面以X67井為例介紹可解掛雙向錨定懸掛封隔器的應(yīng)用情況。

X67井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部，完鉆井深4 112.00 m，水平段長1 200.00 m，上層套管為?177.8 mm套管，尾管為?114.3 mm套管，懸掛器下深2 597.00 m，可解掛雙向錨定懸掛封隔器下入位置的井斜角為43°左右，共完成12段的分段壓裂。下入送入管柱前采用刮管器進(jìn)行刮管，然后采用通井規(guī)通井，下入送入管柱投入憋壓球，依次憋壓至15，20，25和28 MPa并穩(wěn)壓5 min，完成可解掛雙向錨定懸掛封隔器的坐掛、坐封，驗(yàn)掛、驗(yàn)封后管柱正轉(zhuǎn)完成丟手，采用?88.9 mm油管連接回接插頭進(jìn)行回接作業(yè)，管柱到位后丟手，調(diào)節(jié)井口油管長度安裝采油樹，進(jìn)行壓裂施工，入井砂量406.9 m3，入井液量3 695.0 m3，施工最高泵壓61 MPa，管柱錨定及環(huán)空封壓可靠，順利完成壓裂施工作業(yè)。該井壓裂后無阻流量8.70×104m3/d，與該區(qū)塊平均無阻流量6.85×104m3/d相比，提高了27.0%。

5 結(jié)論與建議

1）研制了可解掛雙向錨定懸掛封隔器，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該封隔器可實(shí)現(xiàn)管串的送入、雙向錨定、環(huán)空封隔及解掛，解決常規(guī)雙向錨定封隔器存在的問題，確?，F(xiàn)場施工的安全性。

2）可解掛雙向錨定懸掛封隔器具有更好的錨定性能、封壓性能和下入安全性能。其中：整體式合金卡瓦的錨定能力可達(dá)1 200 kN以上；V形交疊式膠筒的密封壓力達(dá)到80 MPa以上；防提前坐封裝置可有效防止回接筒及膠筒提前動作，實(shí)現(xiàn)封隔器的安全下入。

3）建議研發(fā)不同規(guī)格的可解掛雙向錨定懸掛封隔器，進(jìn)一步增強(qiáng)其在不同井況下的適應(yīng)能力。