劉 帥，張 勁，侯澤寧，劉建勛

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)①

一種消耗型壓裂封隔器研制

劉 帥，張 勁，侯澤寧，劉建勛

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)①

油田壓裂封隔器通常是通過(guò)膠筒的徑向變形實(shí)現(xiàn)封隔動(dòng)作，但現(xiàn)有膠筒耐高溫與腐蝕性能較差，壓裂操作時(shí)，容易變形，導(dǎo)致封隔器失效。研制了一種消耗型壓裂封隔器，主要由中心管、限位環(huán)、扶正塊、卡瓦座、卡瓦、錐體、耐壓膠筒燃燒組件等組成。該封隔器卡瓦坐封安全可靠；通過(guò)燃燒組件燃燒封隔器實(shí)現(xiàn)解卡，且能加熱儲(chǔ)層，降低稠油黏度，提高稠油采收率。該封隔器可滿足壓裂施工的要求。

封隔器；壓裂；卡瓦；消耗型；燃燒組件

封隔器是水平井裸眼分段壓裂完井管串中的關(guān)鍵部件，其性能好壞將決定壓裂施工的成敗[1]。在采油工程中封隔器用來(lái)分層，封隔器上設(shè)計(jì)有采油通道，坐封時(shí)，活塞套上行，采油通道被打開(kāi)；坐封后，上層壓力作用在平衡活塞上，向上推耐壓膠筒，使解封銷(xiāo)釘免受剪切力；解封時(shí)，靠耐壓膠筒與套管的摩擦力剪斷解封銷(xiāo)釘，活塞套下行，關(guān)閉采油通道[2]。

目前使用的封隔器存在以下問(wèn)題：卡瓦組件容易發(fā)生脫落、卡套管或者張開(kāi)角度不足，難以卡住套管內(nèi)壁；受砂礫堵塞構(gòu)件等原因的影響，卡瓦組件不能正常復(fù)位，導(dǎo)致卡鉆事故；對(duì)稠油開(kāi)采的采收率效果影響非常??；封隔器大多數(shù)是通過(guò)耐壓膠筒的徑向變形實(shí)現(xiàn)封隔動(dòng)作的，但現(xiàn)有耐壓膠筒耐高溫與腐蝕性能較差，壓裂操作時(shí)，容易變形，導(dǎo)致封隔器失效，壓裂液因此漏失，污染其他儲(chǔ)層，且降低了壓裂效果；使用封隔器時(shí)，出現(xiàn)卡瓦先于耐壓膠筒實(shí)現(xiàn)坐封，導(dǎo)致耐壓膠筒擴(kuò)張不完全，不能完全阻隔套管環(huán)空等[3-4]。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)

1.1.1 整體結(jié)構(gòu)

消耗型壓裂封隔器主要包括中心管、限位環(huán)、扶正塊、扶正座、下卡瓦座、下卡瓦、下錐體、耐壓膠筒、上錐體、上卡瓦、上卡瓦座、上接頭、活塞管、支撐座、燃燒組件、軌跡槽和軌跡銷(xiāo)釘?shù)萚5]。中心管上開(kāi)設(shè)有軌跡槽，限位環(huán)套設(shè)在軌跡槽內(nèi)，軌跡銷(xiāo)釘插入限位環(huán)內(nèi)，扶正座、下卡瓦座、下錐體、耐壓膠筒、上錐體和上卡瓦座依次固定在中心管的外表面上，扶正座內(nèi)設(shè)有扶正塊，下卡瓦座內(nèi)設(shè)有下卡瓦，上卡瓦座內(nèi)設(shè)有上卡瓦，上接頭連接在中心管的前端，且與上卡瓦座連接，活塞管設(shè)置在上接頭和中心管之間，燃燒組件設(shè)置在上接頭內(nèi)，且與中心管連接[6]。如圖1所示。

1—上錐體；2—上卡瓦；3—上卡瓦座；4—調(diào)整環(huán)；5—上接頭；6—活塞管；7—支撐座；8—燃燒組件；9—第二密封圈；10—第一密封圈；11—剪切銷(xiāo)釘；12—中心管；13—密封套環(huán)；14—限位環(huán)；15—扶正塊；16—扶正座；17—下卡瓦座；18—下卡瓦；19—下錐體；20—耐壓膠筒；21—隔環(huán)；22—軌跡槽；23—軌跡銷(xiāo)釘；24—調(diào)節(jié)彈簧；25—塔簧。

1.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

燃燒組件包括火藥座、煙火混合填充物、熱源填充物、裝有助燃劑混合液的容器、點(diǎn)火器內(nèi)殼、擊發(fā)撞針、點(diǎn)火器外殼等，如圖2所示。

1—火藥座；2—煙火混合填充物；3—熱源填充物；4—裝有助燃劑混合液的容器；5—點(diǎn)火器內(nèi)殼；6—擊發(fā)撞針；7—點(diǎn)火器外殼。

點(diǎn)火器內(nèi)殼和點(diǎn)火器外殼均與火藥座連接，煙火混合填充物位于火藥座之內(nèi)，熱源填充物與煙火混合填充物連接，裝有助燃劑混合液的容器設(shè)置在點(diǎn)火器內(nèi)殼和點(diǎn)火器外殼之間，且與熱源填充物連接。

擊發(fā)撞針設(shè)置在點(diǎn)火器內(nèi)殼和點(diǎn)火器外殼之間，且通過(guò)剪切銷(xiāo)釘與點(diǎn)火器外殼固定連接。擊發(fā)撞針和點(diǎn)火器外殼之間設(shè)有第一密封圈，火藥座通過(guò)投球座連接到中心管上，點(diǎn)火器外殼上設(shè)有活塞孔，擊發(fā)撞針上設(shè)有凹槽?；钊缀桶疾鄹髟O(shè)有4個(gè)，位置對(duì)應(yīng)設(shè)置。擊發(fā)撞針采用傾角為41°的錐形頭?；鹚幾c中心管之間設(shè)有第二密封圈。限位環(huán)與中心管之間設(shè)有密封套環(huán)。

耐壓膠筒內(nèi)表面上設(shè)有V型槽，耐壓膠筒設(shè)有數(shù)個(gè)，各個(gè)耐壓膠筒之間設(shè)有隔環(huán)。扶正塊和扶正座之間設(shè)有調(diào)節(jié)彈簧。下卡瓦座和下卡瓦之間、上卡瓦和上卡瓦座之間均設(shè)有塔簧?；钊芘c上卡瓦座之間設(shè)有調(diào)整環(huán)。中心管的材質(zhì)為可燃的高分子聚合物。耐壓膠筒的材質(zhì)為高分子碳纖維編織層與橡膠的合成[7]。

1.2 工作原理

依據(jù)油田地質(zhì)要求和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及分壓層段數(shù)，按完井設(shè)計(jì)，將封隔器的管串下入到預(yù)定位置。該消耗型壓裂封隔器的下卡瓦組件中，4組卡瓦中的1個(gè)用銷(xiāo)釘與中心管連接，保證卡瓦結(jié)構(gòu)密封緊密。當(dāng)上提中心管時(shí)，因卡瓦被銷(xiāo)釘限制，首先耐壓膠筒實(shí)現(xiàn)坐封；繼續(xù)上提，卡瓦銷(xiāo)釘被剪切，卡瓦張開(kāi)實(shí)現(xiàn)坐封?？ㄍ呓M件中，卡瓦與基座間隙通過(guò)塔簧配合，為卡瓦張開(kāi)提供徑向環(huán)空，保證卡瓦的坐封效果。通過(guò)燃燒組件燃燒封隔器，實(shí)現(xiàn)解卡；通過(guò)燃燒，加熱儲(chǔ)層，提高采收率。耐壓膠筒內(nèi)表面上割出V型槽，槽內(nèi)設(shè)有隔環(huán)，便于耐壓膠筒受壓時(shí)，更有效地進(jìn)行軸向擴(kuò)張[8-13]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑 154 mm

最小內(nèi)徑 86 mm

工作溫度 130 ℃

環(huán)空密封壓力 0 MPa(井徑≤185 mm)，60 MPa(井徑≤220 mm)

適應(yīng)井徑 170～200 mm。

2 工裝設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 組裝工藝

同常規(guī)封隔器的組裝類(lèi)似，消耗型壓裂封隔器著重突出“消耗型”這一特點(diǎn)進(jìn)行組裝。具體流程如下：

1) 將限位環(huán)自上而下插入密封套環(huán)大內(nèi)徑端，其螺紋孔與密封套環(huán)螺紋孔對(duì)齊。取3個(gè)調(diào)節(jié)彈簧，分別插入扶正塊的3個(gè)槽中。將裝配好的扶正塊插入扶正座的U型槽中，其兩端耳部抵住扶正座的上下肩。

2) 將1個(gè)塔簧的小外徑端插入下卡瓦座的塔形內(nèi)槽中；取1個(gè)下卡瓦，將塔簧大外徑端抵住其凹槽外表面，并將卡瓦下部凸起插入卡瓦座限位槽中；取有螺紋孔的一個(gè)卡瓦，將其螺紋孔與中心管上對(duì)應(yīng)位置螺紋孔對(duì)齊；取一個(gè)膠筒，自上而下將其插入下錐體大內(nèi)徑端，抵住下錐體上內(nèi)肩。

3) 將裝配好的上卡瓦組件內(nèi)錐面端朝下，自上而下套在上錐體上，抵住上錐體錐面。將調(diào)整環(huán)插入上卡瓦座大內(nèi)徑端，抵住上卡瓦座肩部。支撐座小外徑端朝下，將支撐座公螺紋與中心管大內(nèi)徑端母螺紋連接；活塞管自上而下套在中心管外，抵住調(diào)整環(huán)上端。

4) 將密封膠圈放入中心管上端U型槽中。將投球座小外徑端公螺紋與火藥座大內(nèi)徑端母螺紋連接。將煙火混合物放入火藥座的U型槽中，熱源填充物抵住火藥座上端，其外端與火藥座小外徑端對(duì)齊。

5) 將助燃劑混合液抵住煙火混合物上段，其內(nèi)端與煙火混合物內(nèi)端對(duì)齊。擊發(fā)撞針錐面端朝下，自下而上套入點(diǎn)火器外殼，其螺紋孔與點(diǎn)火器螺紋孔對(duì)齊。取剪切銷(xiāo)釘，將擊發(fā)撞針螺紋孔與點(diǎn)火器外殼螺紋孔用螺紋連接。將點(diǎn)火內(nèi)殼槽口套在激發(fā)撞針外，其頂端與激發(fā)撞針頂端對(duì)齊。將點(diǎn)火器組件套在火藥座上，其點(diǎn)火外殼大內(nèi)徑端母螺紋與火藥座小外徑端公螺紋連接。其點(diǎn)火器內(nèi)殼小外徑端公螺紋與火藥座大內(nèi)徑端母螺紋連接[14]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

同傳統(tǒng)封隔器一樣，完成壓裂作業(yè)后，繼續(xù)增壓，壓裂液從點(diǎn)火器外殼的活塞孔進(jìn)入擊發(fā)撞針的凹槽中，為擊發(fā)撞針提供一個(gè)軸向向下的壓力，推動(dòng)擊發(fā)撞針向下移動(dòng)，切斷剪切銷(xiāo)釘，繼續(xù)向下移動(dòng)，撞碎裝有助燃劑混合液的容器，助燃劑與熱源填充物充分接觸、反應(yīng)。

助燃劑原理：氫氧化鈉遇水持續(xù)發(fā)熱，并保持高溫，將氫氧化鈉反復(fù)涂覆在纖維編織層上，將纖維層反復(fù)纏繞制成熱源填充物，遇水后產(chǎn)生持續(xù)高溫，用以點(diǎn)燃煙火混合物，使其達(dá)到燃點(diǎn)。煙火混合物受熱達(dá)到燃點(diǎn)后，燃燒鎂合金材質(zhì)的水力錨組件，最后將大部分水力錨組件燃燒干凈，避免封隔器卡瓦解鎖失效，從而為下個(gè)儲(chǔ)層的壓裂作業(yè)提供通道。同時(shí)，通過(guò)加熱，也能降低儲(chǔ)層流體粘稠度，為提高采收率提供幫助。

根據(jù)現(xiàn)有膠筒材料的不足，本設(shè)計(jì)中采用改良過(guò)的耐壓膠筒。耐壓膠筒采用高分子碳纖維編織層與橡膠合成，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的特點(diǎn)，不會(huì)造成耐壓膠筒破裂現(xiàn)象，使密封效果得到了增強(qiáng)，耐壓膠筒內(nèi)表面上割出V型槽，便于耐壓膠筒受壓時(shí)，更有效地進(jìn)行軸向擴(kuò)張[15-17]。

3 試驗(yàn)

3.1 功能試驗(yàn)

177.8 mm消耗型壓裂封隔器裝配完成后，模擬現(xiàn)場(chǎng)使用條件對(duì)其進(jìn)行了一系列功能性試驗(yàn)，如表1。

表1 功能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

177.8 mm消耗型壓裂封隔器于2016-04-16在吉林油田進(jìn)行了2口井的試驗(yàn)。坐封壓力穩(wěn)定在27 MPa。順1井套破前日產(chǎn)油2.43 t，使用消耗型壓裂封隔器坐封后日產(chǎn)油2.02 t，產(chǎn)量恢復(fù)率為83.1%；順7井套破前日產(chǎn)油7.21 t，使用消耗型壓裂封隔器坐封后，日產(chǎn)油恢復(fù)到5.13 t，產(chǎn)能恢復(fù)率為71.2%。可見(jiàn)使用該封隔器后產(chǎn)能恢復(fù)率較高，說(shuō)明該封隔器的密封性能較好。

4 結(jié)論

1) 消耗型壓裂封隔器采用改良的耐壓膠筒，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的特點(diǎn)，不會(huì)造成耐壓膠筒破裂現(xiàn)象，使密封效果得到了增強(qiáng)，耐壓膠筒內(nèi)表面上割出V型槽，便于耐壓膠筒受壓時(shí)，更有效地進(jìn)行軸向擴(kuò)張。

2) 消耗型壓裂封隔器設(shè)有燃燒組件，通過(guò)燃燒組件燃燒封隔器，實(shí)現(xiàn)解卡，并且燃燒過(guò)程可以加熱儲(chǔ)層，提高采收率。

3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該消耗型壓裂封隔器強(qiáng)度及密封性滿足現(xiàn)場(chǎng)使用。

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A kind of Exhaustive Fracturing Packer and Tooling Design

LIU Shuai，ZHANG Jin，HOU Zening，LIU Jianxun

(SchoolofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

The main fractured packers used in industry finish the seal movement by the radial deformation of the rubber sleeve.But the present rubber sleeve cannot endure the high temperature and corrosion.When fracture operation，the rubber sleeve is easily transmutative to invalidate the

2016-09-15 作者簡(jiǎn)介：劉 帥(1992-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向：水力壓裂，E-mail：liushuai100313@163.com。

1001-3482(2017)02-0065-04

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.015