鄒剛，榮佳佳　(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)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(yīng)用

鄒剛，榮佳佳(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434000)

[摘要]針對(duì)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(wú)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(dá)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(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明了該懸掛封隔器結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞]懸掛封隔器；裸眼水平井；密封插管

目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的水平井分段壓裂技術(shù)有水力噴射壓裂技術(shù)、復(fù)合橋塞分段壓裂、連續(xù)油管壓裂技術(shù)、限流壓裂技術(shù)以及多種工藝的復(fù)合壓裂技術(shù)等，但這些技術(shù)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(xiàng)先進(jìn)的完井工藝技術(shù)，而且是低壓、低滲透油氣藏開(kāi)發(fā)非常重要的增產(chǎn)措施，近年來(lái)一直在國(guó)內(nèi)推廣使用，其能實(shí)現(xiàn)水平井不動(dòng)管柱生產(chǎn)。因此，水平井裸眼封隔器加滑套分段壓裂技術(shù)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(guò)程中的作用至關(guān)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(zhǎng)。針對(duì)塔里木地區(qū)的高溫深層碳酸鹽巖超長(zhǎng)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(jìn)行分多段、大規(guī)模多級(jí)交替壓裂改造。水平井分段壓裂時(shí)，懸掛封隔器坐封在拐點(diǎn)前的直井段處，在整個(gè)管柱中起著承接作用，是起到有效懸掛封隔、酸壓測(cè)試生產(chǎn)管柱轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品。但是現(xiàn)有的懸掛封隔器無(wú)法實(shí)現(xiàn)一趟管柱作業(yè)，而有些永久封隔器可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)。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(shí)承受著反復(fù)的插拔過(guò)程，如果密封不嚴(yán)，插拔不可靠，將嚴(yán)重影響整個(gè)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(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種新型懸掛封隔器。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

水平井裸眼完井分段壓裂專用懸掛封隔器結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)一趟管柱入井，送到預(yù)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(dāng)推力達(dá)到設(shè)定的啟動(dòng)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(dòng)鎖環(huán)背圈傳遞力于卡瓦，通過(guò)上下錐體擠壓密封膠筒，在設(shè)計(jì)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(shí)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(dǎo)環(huán)；　　　27-下接頭；28-劈環(huán)；29-剪切銷。圖1　懸掛封隔器結(jié)構(gòu)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(jiàn)圖2)，用于和密封插管的連接，該馬牙扣螺紋是一個(gè)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(shè)計(jì)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(guò)旋轉(zhuǎn)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(gè)膠筒組合(見(jiàn)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(shè)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(shí)，3個(gè)獨(dú)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(kāi)，兩端膠筒產(chǎn)生形變進(jìn)一步封堵套管或裸眼內(nèi)空隙。密封組件采用三膠筒結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)1666mm，最大外徑149.23mm，最小內(nèi)通徑101.60mm，啟動(dòng)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(diǎn)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(dú)的坐封工具坐封，通過(guò)地面打壓方式坐封封隔器；④下井時(shí)，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(guò)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(fù)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(guò)套銑鉆除后打撈。

2配套工具結(jié)構(gòu)與原理

配套工具中除了常規(guī)工具外，密封插管是設(shè)計(jì)的關(guān)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?！　D4　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(yù)定層位，投球打壓，因密封插管與懸掛封隔器通過(guò)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(dāng)對(duì)懸掛封隔器驗(yàn)掛時(shí)，因特殊鋸齒螺紋連接可承受一定程度的拉力，當(dāng)需要與懸掛封隔器脫手時(shí)，保持過(guò)提1t負(fù)荷，正轉(zhuǎn)油管大于10圈，上提即可丟手。

配套密封插管總長(zhǎng)741mm，最大外徑145.03mm，最小內(nèi)通徑76.20mm，密封段長(zhǎng)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(diǎn)如下：①采用盤根密封，確保送入取出回插的滑動(dòng)密封；②特殊的鋸齒螺紋設(shè)計(jì)，確保懸掛封隔器掛的住、下得去、脫得掉。

3室內(nèi)試驗(yàn)

3.1膠筒試驗(yàn)

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(yàn)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(cè)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(wú)降壓；繼續(xù)打壓至10000psi(70MPa)穩(wěn)壓30min 200psi的降壓，穩(wěn)壓能達(dá)到API 11D1標(biāo)準(zhǔn)；然后泄壓解封后，取出膠筒，上下背圈完全打開(kāi)，膠筒完整，說(shuō)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(cè)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(shí)機(jī)上進(jìn)行懸掛處的特殊鋸齒螺紋的拉力測(cè)試。當(dāng)拉力達(dá)到80t時(shí)，密封插管與懸掛封隔器的特殊鋸齒螺紋處無(wú)位移，螺紋無(wú)拉脫。繼續(xù)增加拉力達(dá)到100t時(shí)，密封插管與懸掛封隔器的特殊鋸齒螺紋處仍然無(wú)位移，螺紋無(wú)拉脫，拉力滿足要求。

3.3整機(jī)試驗(yàn)

利用高溫高壓試驗(yàn)井對(duì)該懸掛封隔器進(jìn)行密封耐溫耐壓性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先從中心管打壓坐封封隔器，再泵送液壓油分別進(jìn)行上壓、下壓測(cè)試，測(cè)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(yàn)井內(nèi)上下壓承壓能力為70MPa(10000psi)。

利用高溫高壓試驗(yàn)井對(duì)該懸掛封隔器進(jìn)行丟手試驗(yàn)。在上下壓完成測(cè)試后，將井口用液壓扭矩鉗夾緊，保持大約1t的上提負(fù)荷，正轉(zhuǎn)。當(dāng)正轉(zhuǎn)到10扣時(shí)，密封插管與懸掛封隔器脫手。

根據(jù)廠內(nèi)試驗(yàn)結(jié)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(yù)留了較大通道。

圖6　懸掛封隔器上下壓測(cè)試曲線圖

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該新型懸掛封隔器在新疆塔里木油田進(jìn)行了50余次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(yù)定深度5800m。

1)坐封。正替50m3優(yōu)質(zhì)坂土漿后投38.1mm樹(shù)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(jí)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(yàn)掛。下放管柱至懸重1500kN，上提管柱至懸重1700kN，驗(yàn)掛合格(坐封時(shí)懸重1620kN)。

3)驗(yàn)封。連接水泥車管線，關(guān)封井器，反打壓15MPa/30min不降，驗(yàn)封合格。

4)丟手。上提管柱至懸重1750kN，正轉(zhuǎn)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(jī)鹽后起出送入管柱，然后下入回插管柱對(duì)裸眼段進(jìn)行放噴求產(chǎn)測(cè)試。坐封30MPa，驗(yàn)封15MPa，過(guò)提1t，正轉(zhuǎn)15圈丟手成功。

5結(jié)論

1)該懸掛封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了一趟管柱完成測(cè)試、改造、求產(chǎn)、封堵、回采等各項(xiàng)施工，節(jié)約施工時(shí)間，縮短工程周期，減少事故發(fā)生的機(jī)率，帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊富，鄒國(guó)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(shù)[J].石油鉆采工藝，2010，32(4)：46～50.

[2] 柴國(guó)興，劉松，王慧莉.新型水平井不動(dòng)管柱封隔器分段壓裂技術(shù)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，34(4)：141～145.

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

[編輯]辛長(zhǎng)靜

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)04-0065-04

[中圖分類號(hào)]TE931.1

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

[基金項(xiàng)目]中石化石油工程機(jī)械股份有限公司科研項(xiàng)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(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(4)：65～68.