單錐體雙卡瓦高壓插管封隔器的研制與試驗

針對油田水平井機械卡堵水管柱應用過程中多段壓裂水平井復雜井眼軌跡、結垢結蠟等井下苛刻作業環境導致封隔工具穩定性、承壓能力不足和長期置于井下起出困難的問題，研制了單向錐體雙卡瓦式高壓插管封隔器。該封隔器在設計上充分考慮了密封件的耐壓性能以及封隔器關鍵構件的可鉆性，尤其采用了負壓空氣增壓腔和單錐體雙卡瓦結構設計，坐封時井口無需提供較大的坐封壓力便可實現充分坐封，且解封可靠性大幅提高，解決了一趟鉆安全長效卡堵水平井跟部、趾部不同位置出水的難題；承壓能力達到50 MPa以上，鉆磨解封時間短于1 h。室內試驗和現場應用結果表明：該單錐體雙卡瓦高壓插管封隔器具有較好的承壓性，能夠實現長期高效密封，且坐封力小、解封安全可靠。研究成果可為堵水封隔工具的設計和應用提供參考。

水平井；多段壓裂；單錐體雙卡瓦；插管封隔器；磨銑打撈矛

Development and Test of Single-Cone Double-Slip High-Pressure Intubation Packer

Zhu Hongzheng Lü Yiming Li Loulou Su Zubo Gao Yu Yang Haitao

（Oil amp; Gas Technology Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company; National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil amp; Gas Fields）

During the application of mechanical water shutoff string in horizontal wells， severe downhole conditions in case of multi-stage fracturing， such as complex horizontal wellbore trajectory， scaling， and waxing， lead to some problems of the isolation tool， such as less stability， insufficient loading capacity， and difficult lifting. This paper presents a single-cone double-slip high-pressure intubation packer. This packer was designed with consideration to the pressure resistance of the seal and the drillability of key parker components， and by especially incorporating the negative pressure air charging chamber and the single-cone double-slip structure. It can be fully set without the necessity of high pressure at the wellhead and be released with a notably improved reliability. These features secure the water shutoff at the heel and toe of a horizontal well safely and effectively in one trip. This packer has a loading capacity over 50 MPa and can be released by milling within 1 h. Laboratory experiment and field application demonstrate that the single-cone double-slip high-pressure intubation packer is highly capable of loading for long-term and effective sealing， and can be set under small pressure and released safely and reliably. The research results provide a reference for design and application of the water shutoff tool.

horizontal well; multi-stage fracturing; single-cone double-slip; intubation packer; milling amp; fishing spear

0 引 言

近年來，國內油氣資源劣質化趨勢明顯，水平井開發優勢顯著，應用規模快速擴大，已成為低滲透油藏經濟效益開發、轉變開發方式的重要手段。與此同時，低滲透注水開發油藏水平井多段壓裂生產過程中，見水矛盾日益突出，見水治理迫在眉睫。機械堵水在直井或定向井中已成熟應用，但在水平井中，一方面由于水平井井眼軌跡復雜，井下作業配套技術不完善；另一方面由于水平井井身結構的特點，其見水方式與直井不同，水平井機械堵水工藝更為復雜^［1-8］。加之在水平井段高溫、高壓、出砂及結垢等復雜環境下，各種設備、工具和流體的性能均發生了顯著變化，有的甚至失效，堵水封隔工具作為水平井隔采工藝的重要組成部分，也面臨著巨大挑戰。

針對井筒內單點、多點見水問題，長慶油田先后研發了水平井機械堵水橋塞及堵水封隔器，設計形成了3種機械堵水管柱。截至2023年底，現場累計應用210井次，累計恢復產能9.1萬t，已成為長慶油田高含水低產低效水平井的主要治理手段。該系列工藝管柱主要采用可撈式橋塞封堵趾部、可撈式封隔器封堵跟部2種方式。但是，一方面由于水平井見水段壓力高，封隔器承壓能力不足，致使封隔失效或管外竄；另一方面打撈解封方式結構存在長時間放置打撈困難，易發生井下事故，后期起鉆困難的安全隱患。據統計，現場接近20%的隔采井后期打撈困難甚至起不出，限制了水平井機械堵水工藝的推廣應用^［9-14］ 。

為實現水平井井筒長效卡堵以及井筒后期完整性，針對機械堵水作業需求，筆者結合國內外水平井堵水封隔器現狀，通過調研對比國外各種堵水封隔器的特點，研制適合低滲透油藏水平井井筒特點的單向錐體雙卡瓦式錨定高壓插管封隔器，以期為堵水封隔工具的設計和應用提供參考。

1 單向錐體雙卡瓦高壓插管封隔器

1.1 結構

單向錐體雙卡瓦高壓插管封隔器采用液壓坐封以及單向錐體雙卡瓦結構，下部設計有插管式滑套開關，上部為安全接頭與丟手接頭。

該封隔器主要由上接頭、坐封機構、插管式滑套開關、安全接頭、丟手接頭等組成，結構如圖1所示。

1.2 工作原理

當單向錐體雙卡瓦高壓插管封隔器下放至井內預定的坐封層位后，在油管內緩慢注滿水，壓力通過中心管進液孔傳至液缸內部，液壓力推動活塞下行，活塞推動上錐體。由于固定套在軸向被限制，上錐體迫使卡瓦張開并咬住套管壁實現坐卡，在下鎖環的作用下，卡瓦不會產生回退；同時，液缸在液壓力作用下上行，推動膠筒向上“爬坡”并擠壓膠筒，使得膠筒在徑向膨脹封隔油套環形空間；油管繼續加壓，完井深度1 000～1 500 m，從井口加壓至22～28 MPa、穩壓5 min；完井深度1 500～2 000 m，從井口加壓至18～22 MPa、穩壓5 min；完井深度2 000～2 500 m，從井口加壓至13～18 MPa、穩壓5 min。完成封隔器坐封后，如果丟手接頭未脫開，繼續提升壓力3～5 MPa至丟手銷釘剪斷（若泵車壓力驟降，且緩慢上提管柱無載荷增加，則證明丟手接頭脫開），起出丟手完井管柱。坐封后空氣增壓腔與環空貫通，2 h后可溶銷釘溶解或電路板供電推動銷釘打開，卡瓦撐開，實現雙向承壓；再下入插管可控制封隔器下部滑套的開啟與關閉，實現趾部或跟部的封堵。

解封時，下入解封解卡打撈矛完成封隔器的整體打撈解封；如果打撈解封不成功，則需要從井中起出安全接頭，再重新下入磨銑打撈矛，隨后啟動泵車進行磨銑，解除膠筒擋環接觸對膠筒的限制；然后再次上提管柱，最終完成封隔器的整體打撈解封。

1.3 主要技術參數

單向錐體雙卡瓦錨定高壓插管封隔器的主要技術參數為：適用套管外徑121～126 mm；封隔器最大外徑114 mm，內徑40 mm；坐封力17～18 MPa，最大承壓35 MPa，工作上壓差50 MPa，工作下壓差35 MPa；抗拉強度500 kN；工作溫度120 ℃；總長3 163 mm。

1.4 關鍵技術

（1）材質選擇。在保障封隔器本體強度的前提下，封隔器膠筒擋環優選聚醚醚酮（PEEK），該材質具有耐高溫、易加工、高強度等特點。

（2）卡瓦設計。單向錐體雙卡瓦式（分體設計）結構，保證插管封隔器實現雙向承壓，同時提高坐封解封的可靠性。

（3）坐封設計。增設空氣增壓腔，不受外部環空液面壓力影響，坐封后腔體與環空溝通，可實現坐封力大、解封力小。坐封前空氣增壓腔內為負壓狀態，空氣增壓腔內的氣壓等于地面大氣壓。封隔器入井后，油管內注入井液，靜液柱產生的壓力遠大于地面大氣壓，且該壓力通過過液孔傳導至坐封活塞上側，使得坐封活塞的上下兩側形成巨大壓差，下行推動下卡瓦至套管壁上；井口只需施加較低壓力便可通過滑套和密封推套將運動向上傳遞，最終壓縮膠筒，使膠筒坐封。空氣增壓腔結構示意圖如圖2所示。

（4）解封設計。坐封完成后，在壓力作用下開關架與電路套接觸后供電，啟動電控裝置后，閥針對導壓塞的限位作用解除，導壓塞在井下壓力的作用下從軸向通孔內脫出，從而使井下壓力得以通過該軸向通孔進入空氣增壓腔，使空氣增壓腔內的負壓解除，實現封隔器正常解封。

2 性能測試

封隔器研制完成后試制2套進行實驗室驗證，試驗溫度120 ℃，試驗壓差50 MPa，坐封壓力18 MPa。

2.1 坐封性能測試

橋塞整體密封測試。將封隔器在120 ℃的液體中持續浸泡1 h，隨后放入內徑124.26 mm的試驗套管中，連接管線；然后緩慢對封隔器中心管內腔加油壓至4 MPa（卡瓦坐卡）、8 MPa（抗阻機構打開）、18 MPa（坐封完成丟手）；取下坐封工具，套管上部敞口，連接下管線，施加下壓差至35 MPa，穩壓0.5 h；泄壓后拆卸下管線，套管下部敞口，連接上管線，施加上壓差至50 MPa，穩壓0.5 h。試驗曲線如圖3所示。試驗過程無泄漏，表明該封隔器承壓性能良好。

2.2 鉆撈性能測試

將坐封后的封隔器連同試驗套管固定到試驗臺架上，磨銑打撈矛安裝到鉆銑床上，進行鉆撈試驗。磨銑打撈矛結構如圖4所示。測試時，磨銑打撈矛開啟0.5 h即完成對封隔器膠筒擋環的磨銑，快速實現磨銑解封。

3 現場應用情況

為進一步驗證插管封隔器在現場的承壓穩定性，于2021年5月在HP1井開展了現場試驗。該井水平段長590 m，改造9段；投產初期日產液6.08 m³，日產油量4.50 t，含水體積分數13.0%，動液面960 m。2020年12月水淹，隔采前日產液6.27 m³，含水體積分數100%，含鹽7 599 mg/L，動液面465 m。封隔器下入井深2 430 m，隔跟部7～9段，采趾部1～6段，如圖5所示。

現場試驗時，工作坐封正常，坐封力及丟手脫開力均達到了設計要求；上提管柱，無載荷增加，生產管柱回插插管完井，懸重降至0，實現封堵上部油層、開采下部油層。對比措施前生產動態，該井試驗后液量、動液面均有所下降，含水體積分數由100%下降至81.6%，日產油由0增加至2.93 t，持續有效（見圖6）。

截至目前，累計開展單錐體雙卡瓦高壓插管封隔器隔采跟部試驗10余井/次，施工成功率100%。

4 結論及建議

（1）研制了單錐體雙卡瓦高壓插管封隔器，在膠筒和卡瓦中間設置空氣增壓腔，坐封時井口無需提供較大的坐封壓力便可實現充分坐封，單向錐體雙卡瓦結構增強了封隔器上提解封的可靠性。

（2）單錐體雙卡瓦高壓插管封隔器適用于注水開發裂縫性見水、復雜井眼軌跡的水平井，可實現水平段跟部、趾部不同位置機械封堵需求。

（3）封隔器膠筒擋環優選聚醚醚酮材質，采用鉆撈一體解封模式，鉆磨解封時間短于1 h，實現水平井安全長效機械卡堵，保證后期井筒完整性。

（4）下一步需優化空氣增壓腔結構，縮短封隔器整體長度，進一步增強在水平井機械堵水作業現場應用的適用性，為研究更加有效的卡堵工藝技術奠定基礎。

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第一作者簡介：朱洪征，高級工程師，生于1981年，2004年畢業于中國地質大學（武漢）石油工程專業，2011年獲西安石油大學工程碩士學位，現從事低滲透油田水平井采油工藝研究工作。地址：（710021）陜西省西安市。email：zhz10_cq@petrochina.com.cn。