適用于連續油管的封隔器管串結構及原理分析

王 瑤，馮 強，劉 欣，王治華，王慶菊，丁柯宇

（1.渤海鉆探工程技術研究院，天津300450；2.渤海鉆探油氣合作開發分公司，天津300280）①

連續油管（Coiled Tubing，簡稱 CT）是相對于常規單根螺紋連接油管而言的，又稱為撓性油管、蛇形管或盤管，是一種纏繞在卷筒上、可以連續下入或起出的無螺紋連接的長油管［1－2］。近年來，連續油管以其高效、經濟的特點廣泛應用于各種井下作業，其中包括噴砂射孔壓裂工藝。

國外應用于連續油管噴砂射孔壓裂作業的井下工具按封隔形式分為砂塞封隔、可鉆橋塞封隔和封隔器封隔3種［3－5］。完成噴砂射孔作業后砂塞封隔需要第2趟管柱完成沖砂作業，可鉆橋塞需要第2趟管柱完成鉆塞作業，而封隔器封隔只需解封封隔器便可，因此具有工藝簡單、時間成本低、效率高等優點。

由于連續油管的一些局限性，應用于連續油管噴砂射孔壓裂的封隔器還需要解決一些技術問題［6－8］，例如：

1） 封隔器外徑過大，易卡鉆。連續油管只能提供有限的軸向力，靠機械力坐封時，只能采用外徑十分接近套管內徑的擠壓式封隔器。因此，將傳統封隔器應用于連續油管時膨脹比例＜1.04，有限的環空和壓裂液中固體支撐劑的堵塞極易引起卡鉆，并且卡鉆后連續油管無法提供足夠的打撈力。

2） 無法提供可靠的坐封。壓裂作業時，壓裂液壓力可達40MPa以上，橡膠材質的物理、化學性質在高溫高壓下極不穩定，因此很難保證可靠的坐封。

3） 解封時間長。在高溫高壓下，傳統封隔器靠自身恢復原狀，解封時間過長或最終無法完成完全解封，甚至因此而形成砂橋，降低了作業效率，增加了卡鉆風險。

目前，已有幾家國外公司研制出能夠解決以上問題并擁有多年作業經驗的連續油管噴砂射孔壓裂用封隔器，其普遍具有的特點為：1次下入可完成任意次噴砂射孔、壓裂作業；特殊材質和結構的膠筒可反復利用上百次；膨脹比最高可達1.14。此類設計屬于連續油管作業工具尖端技術。本文就一種典型的適用于連續油管的封隔器進行結構和工藝介紹［9］，并以139.7mm（5英寸）套管為例，列舉其相關參數。

1 部件組成和工藝原理

該封隔器管串從上至下依次包括：坐封單元和對坐封起輔助作用的錨組件、截流閥組件，如圖1所示。用于噴砂射孔壓裂時，封隔器上部連接噴槍和連續油管通用工具（例如：連接器、雙瓣閥、循環閥、脫斷器等）。

圖1 封隔器整體結構

該噴砂射孔壓裂作業工藝過程如下：

1） 用連續油管將鉆具送入套管中指定位置。

2） 增加連續油管中液體流速，以液壓的形式實現錨組件的錨定，同時液體清理了套筒壁，卡瓦將鉆具定位，并保證鉆具的軸向對中。

3） 下壓連續油管，給封隔器提供軸向力，使封隔器完成初步坐封，同時關閉了截流閥，阻止液體從管串下部流出。

4） 增加循環液體流速使密封件完全坐封。

5） 實施射孔作業和壓裂作業。

6） 分步驟上提連續油管完成解封。

2 坐封單元結構及工作原理

坐封單元結構如圖2所示，主要部件包括：過濾器、頂環、軟橡膠筒、硬橡膠筒、彈簧和下部短節。

圖2 坐封單元

坐封單元的密封件包含2個環形并相連的密封元件，主密封件為軟橡膠材質密封筒，硬橡膠筒位于軟橡膠筒下部，硬橡膠筒中嵌入了環形螺旋彈簧。硬橡膠筒和彈簧用來防止高壓坐封時軟橡膠筒被擠入下部環空，彈簧可以協助軟橡膠筒和硬橡膠筒在解封時快速恢復原狀，提高解封效率、有效避免卡鉆。軟橡膠可以采用腈或高飽和腈材料，硬橡膠的硬度要高于95HD，通常是由幾種原料混合制成，如腈和氫化丁腈橡膠等。

坐封分為3個過程：

1） 管串錨定后，下壓連續油管，使中心管相對外殼向下移動，關閉了截流閥，直至扶正單元下表面與過濾外殼上表面接觸，繼續下壓便將軟橡膠筒壓入環空實施初步坐封，如圖3a所示，初封壓力約為6.9MPa。

2） 循環液經過濾器流入軟膠筒內部形成液壓，液壓向外擴張軟橡膠筒、硬橡膠筒和彈簧原件實現完全坐封，如圖3b所示。

3） 實施壓裂作業時高壓壓裂液會通過過濾器進入軟橡膠筒內腔，壓力可達到13.8～48.3MPa，進一步增強密封效果。

圖3 坐封過程示意

解封時，通過上提連續油管打開截流閥，流體從管串尾部流出，釋放封隔器密封組件的壓力，實現初步解封。中心管隨連續油管向上移動后，坐封單元頂環與下部短節間距離將大于膠筒長度，從而使膠筒內部產生拉應力，強制膠筒解封，加快解封速度，并有效降低卡鉆風險。

3 坐封輔助組件結構及工作原理

3.1 錨組件［10－11］

錨組件結構如圖4所示，主要部件包括：①錨定原件：活塞、卡瓦等；②控制原件：彈簧、活塞、短節等。

圖4 錨組件

錨活塞上有對應于卡瓦的斜面，如圖5所示。在液壓作用下錨活塞向下運動，推動卡瓦錨定于套管。卡瓦斜面傾角可設置為8.13°，產生7倍于軸向力的徑向力。

圖5 錨活塞與卡瓦

控制原件的短節有一些圓錐面，當短節被固定在特定位置時，錐面在液壓作用下與活塞和彈簧相互作用，控制著錨定結構的錨定與解錨。控制元件結構簡單，無剪釘、投球等限制作業次數的結構設計，因此可在1次入井后不限次數反復錨定。

壓裂作業時，含支撐劑的壓裂液從環空高壓注入地層中由射孔形成的孔洞中，環空壓力比地層壓力高34.5～69.0MPa，同時連續油管和管串中的循環液流速降為0.1m3／min，流速的下降導致工具中的壓差從3.5MPa下降到0.7MPa，但依然足夠提供錨定力。

3.2 截流閥

截流閥組件通過將密封件壓入內部縮徑實現密封截流，主要部件為密封件，如圖6所示。密封組件包括：密封圏、第1阻塞環、第2阻塞環、帽螺釘。第1阻塞環硬度最高，可采用熱塑性材料；第2阻塞環硬度適中，可采用光纖填充的聚四氟乙烯；密封環硬度最低，可采用人造橡膠。第1阻塞環采用相對較硬的材料，可以避免沙粒對密封件的磨損，閥關閉時液體中夾雜了很多固體顆粒，這些固體顆粒進入第2阻塞環中保護了密封環。阻塞環要足夠軟，以吸收固體顆粒，保證整個密封件不被卡在縮徑里，特別是在閥多次開關以后，軟質材料更容易實現密封。帽螺釘由鋼制成，與中心管螺紋連接，帽螺釘固定了第1阻塞環、第2阻塞環和密封圈。

圖6 節流閥密封件結構

4 封隔器管串特點

1） 由軟橡膠筒、硬橡膠筒、彈簧組合而成密封原件。該設計一方面在保證密封可靠的前提下提供了足夠的膨脹比例，解決了封隔器半徑過大、易卡鉆的問題；另一方面加快了解封速度并保證解封完全。

2） 機械力與液壓混合動力坐封，更適用于連續油管。

3） 橡膠筒上部增加過濾器原件。該設計保證了實施高壓力作業時的安全坐封。

4） 解封時封隔器外殼設計為分段上提。該設計在解封上提管串時能夠使橡膠筒內部產生拉應力，保證解封完全，避免卡鉆。

5） 整體管串沒有類似剪釘、投球設計，不限制作業次數。

6） 3層結構的截流閥密封件能夠有效降低固體顆粒對密封圈的磨損，保證了多次開關后截流閥依然能夠有效工作。

5 結語

目前，我國大力發展連續油管技術，但還沒有研制出適用于連續油管的封隔器，為縮短研發周期、提升研發水平，可充分借鑒國外已有技術。本文介紹的封隔器不但可用于噴砂射孔壓裂作業，還可應用于酸化等需要進行井筒封隔的其他工藝；另外，該結構配合普通鉆桿使用也存在較明顯優勢，因此具有較廣闊的市場應用前景。

［1］李宗田.連續油管技術手冊［K］.北京：石油工業出版社，2003.

［2］趙 昆.國外連續油管作業機研究進展及國內現狀［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：78－84.

［3］田守嶒，李根生.連續油管水力噴射壓裂技術［J］.天然氣工業，2008，28（8）：61－63.

［4］王福勇，吳曉東.水平井連續油管射孔分段壓裂工藝［J］.大慶石油地質與開發，2010，29（5）：114－117.

［5］Rodvelt G，Toothman R，Willis S，et al.Multiseam Coal Stimulation Using Coiled－Tubing Fracturing and a U－nique Bottomhole Packer Assembly［C］／／ Ohio：SPE Eastern Regional Meeting，2001－10－17.

［6］張麗娟，趙廣民.Y241型封隔器分壓管柱可靠性分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：25－28.

［7］劉 林，陳和平.水平井分段壓裂封隔器研制與封隔性能分析［J］.石油礦場機械，2012，41（5）：86－88.

［8］葛 松.壓縮式封隔器密封膠筒有限元分析及改進［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：92－95.

［9］John E.Coiled Tubing Bottom Hole Assembly with Packer and Anchor Assembly：US，2010／0126725A1［P］.2010－05－27.

［10］吳 非，黃劍華，羅恩勇 .錨定式桿式抽油泵的研制與現場應用［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：73－75.

［11］張尚君，柴國興，王登慶，等 .新型壓裂用防砂水力錨試驗研究［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：54－56.