可解掛雙向錨定懸掛封隔器關鍵技術

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研究院，北京 100101；3. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，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方式之一，其具有效率高、施工連續、增產效果好等優點[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空的封隔，其性能直接影響壓裂施工的成敗[2-3]。

常規雙向錨定封隔器在現場應用過程中存在一些問題：操作不當或發生井下落物時可能會提前坐掛、坐封；進行環空封壓能力測試時，經常出現高壓密封失效的問題；常規雙向錨定封隔器多為永久式，一旦坐封將無法解封起出，只能進行套銑或鉆除，甚至可能造成油氣井報廢[4-9]。為了進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、高壓密封技術、防提前坐封技術和解掛技術等關鍵技術研究，并進行了可解掛式雙向錨定懸掛封隔器進的性能測試及現場應用，均取得了預期效果。

1 可解掛雙向錨定懸掛封隔器的結構及原理

可解掛雙向錨定懸掛封隔器的設計要點為：1）送入工具要具備防提前坐封功能，同時具備機械、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，同時增加解掛功能，在出現提前坐掛情況時，確?？山鈷觳⑻岢龇飧羝鳎?）采用整體式卡瓦結構，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）采用三膠筒結構，以增強對套管的適應性。

基于上述設計要點，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，結構如圖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構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定位置，投入憋壓球進行管內憋壓，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憋壓，坐封膠筒；膠筒坐封后起出管串，再次下入回接插頭進行回接鎖定；解掛時，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，膠筒及卡瓦復位，實現解掛。

2 封隔器關鍵技術研究

2.1 高承載技術

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，同時要防止壓裂過程中井底高壓導致的管串向上竄動，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壁的接觸面積更大，軸向應力分布更加合理，可以降低對套管的損傷。

常規永久式錨定封隔器無解掛功能，一旦出現提前坐掛情況，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，同時保證解掛后有效復位，選用合金鋼制造卡瓦，并采用整體式卡瓦結構（見圖2）?？ㄍ咴O多條應力槽，坐掛時卡瓦擴張支撐井壁，解掛后復位。通過結構設計和材料熱處理工藝優化，可提高錨定性能和下入安全性能。

圖2 整體式卡瓦的結構Fig. 2 Structure of integrated slip

該封隔器要求卡瓦重載錨定解掛后可進行回收，卡瓦本體具備較高韌性的同時，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，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，分析卡瓦結構、卡瓦材料等對卡瓦坐掛、解掛性能的影響。根據卡瓦的工作原理，建立有限元模型，并對其邊界進行處理：1）約束卡瓦，使其只具有沿周向運動的自由度；2）建立卡瓦與錐套、卡瓦與套管內壁、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合金結構鋼（見表1）。分別在卡瓦兩側施加約束，分析卡瓦受力及變形情況。壓裂時膠筒需要承受70 MPa的壓差，由卡瓦進行錨定。因此，從卡瓦上端面施加671.3 kN的壓力，計算卡瓦受力。

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

根據第四強度理論計算von Mises應力，結果如圖3所示。擴張過程中最大受力位置位于卡瓦肋部，應力為257.5 MPa，滿足設計安全系數大于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果Fig. 3 Force analysis results of integrated slip

2.2 高壓密封技術

分段壓裂施工時施工壓力較高，為保護上層套管，降低施工風險，防止環空壓力傳遞至井口，需要對套管重疊段進行封隔，要求封隔器具備高壓密封性能。

傳統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生接觸應力，實現環空封隔。這種膠筒結構簡單，膠筒較短，如果封隔井段出現固相沉積或者套管變形，容易封壓失效，因此其井況適應性較差，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構，膠筒之間采用V形配合，兩兩保護（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；兩側膠筒硬度較高，保護中間膠筒的同時，進行雙重密封。為防止坐封及密封過程中膠筒擠壓外凸，膠筒兩側有防突環，防突環周向有多條割縫，膠筒坐封過程中緊貼膠筒外側，保護膠筒。為防止因防突環遇阻引起的膠筒提前坐封，防突環與錐套采用了一體化設計。

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

2.3 防提前坐封技術

壓裂管柱入井后會因與井壁磕碰或者落物等原因導致封隔器提前坐掛，為保證下入安全，設計了防提前坐封裝置，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，結構如圖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，確保回接筒的運動與坐封工具同步，即使回接筒外部環空出現落物并遇阻，也不會提前坐封。封隔器達到預定位置坐掛坐封時，管內憋壓坐封，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生相對軸向運動，防提前坐封裝置不再起作用。

圖5 防提前坐封裝置的結構Fig. 5 Structure of pre-setting prevention device

2.4 解掛技術

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。設計的解掛工具結構如圖6所示，初始狀態下，由解掛套和支撐卡簧支撐封隔器及尾管，當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生相對運動，支撐卡簧失去支撐后回收，不再對封隔器產生鎖緊作用，封隔器本體可以上下移動，膠筒和卡瓦回彈，實現解掛。該解掛形式不受壓差和尾管懸重的影響，同時不影響壓裂施工作業[10]。

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

3 封隔器性能測試

為了驗證可解掛雙向錨定懸掛封隔器的性能，模擬現場環境，分別進行了錨定性能、封壓性能、防提前坐封裝置性能和整機解掛解封性能測試。

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，試驗套管內徑為159.0 mm。采用機械加載坐掛，坐掛載荷為120 kN，坐掛后卸載，環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，滿足設計要求。

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，試驗套管內徑為159.0 mm。試驗裝置上下各有一個加壓封頭，可分別進行加壓，采用機械加載方式坐封膠筒。為模擬現場井況，將試驗裝置放入到加熱裝置中，加熱至80 ℃，機械加載49 kN，完成坐封。之后環空加壓，逐級加壓至35，50，70和80 MPa，穩壓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，均能實現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，滿足設計要求。

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作用。將封隔器底部進行固定，加工工裝單獨支撐回接筒部分，采用拉伸試驗機推動回接筒，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。試驗結果表明，防提前坐封裝置可有效保護封隔器，即使在遇阻500 kN的情況下封隔器仍不會坐封。管內憋壓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

為模擬現場封隔器解掛、解封操作，在模擬試驗井進行入井性能測試。試驗套管內徑為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定位置，管內憋壓至25 MPa，先坐掛坐封，正轉機械丟手，起出送入工具。下入解掛工具至封隔器位置，懸重減小50 kN時解掛工具與封隔器錨定；上提解掛工具，至懸重增大200 kN時剪斷解掛剪釘；繼續緩慢上提，將封隔器起出井口，順利實現解掛、解封。

4 現場應用

可解掛雙向錨定懸掛封隔器在鄂爾多斯盆地20多口井進行了應用，均順利實現坐掛、坐封，并對環空起到有效的密封作用，確保了壓裂施工作業的正常進行，解決了常規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行刮管，然后采用通井規通井，下入送入管柱投入憋壓球，依次憋壓至15，20，25和28 MPa并穩壓5 min，完成可解掛雙向錨定懸掛封隔器的坐掛、坐封，驗掛、驗封后管柱正轉完成丟手，采用?88.9 mm油管連接回接插頭進行回接作業，管柱到位后丟手，調節井口油管長度安裝采油樹，進行壓裂施工，入井砂量406.9 m3，入井液量3 695.0 m3，施工最高泵壓61 MPa，管柱錨定及環空封壓可靠，順利完成壓裂施工作業。該井壓裂后無阻流量8.70×104m3/d，與該區塊平均無阻流量6.85×104m3/d相比，提高了27.0%。

5 結論與建議

1）研制了可解掛雙向錨定懸掛封隔器，現場應用表明，該封隔器可實現管串的送入、雙向錨定、環空封隔及解掛，解決常規雙向錨定封隔器存在的問題，確保現場施工的安全性。

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1 200 kN以上；V形交疊式膠筒的密封壓力達到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，實現封隔器的安全下入。

3）建議研發不同規格的可解掛雙向錨定懸掛封隔器，進一步增強其在不同井況下的適應能力。