适用于连续油管的封隔器管串结构及原理分析

王 瑶，冯 强，刘 欣，王治华，王庆菊，丁柯宇

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300450；2.渤海钻探油气合作开发分公司，天津300280）①

连续油管（Coiled Tubing，简称 CT）是相对于常规单根螺纹连接油管而言的，又称为挠性油管、蛇形管或盘管，是一种缠绕在卷筒上、可以连续下入或起出的无螺纹连接的长油管［1－2］。近年来，连续油管以其高效、经济的特点广泛应用于各种井下作业，其中包括喷砂射孔压裂工艺。

国外应用于连续油管喷砂射孔压裂作业的井下工具按封隔形式分为砂塞封隔、可钻桥塞封隔和封隔器封隔3种［3－5］。完成喷砂射孔作业后砂塞封隔需要第2趟管柱完成冲砂作业，可钻桥塞需要第2趟管柱完成钻塞作业，而封隔器封隔只需解封封隔器便可，因此具有工艺简单、时间成本低、效率高等优点。

由于连续油管的一些局限性，应用于连续油管喷砂射孔压裂的封隔器还需要解决一些技术问题［6－8］，例如：

1） 封隔器外径过大，易卡钻。连续油管只能提供有限的轴向力，靠机械力坐封时，只能采用外径十分接近套管内径的挤压式封隔器。因此，将传统封隔器应用于连续油管时膨胀比例＜1.04，有限的环空和压裂液中固体支撑剂的堵塞极易引起卡钻，并且卡钻后连续油管无法提供足够的打捞力。

2） 无法提供可靠的坐封。压裂作业时，压裂液压力可达40MPa以上，橡胶材质的物理、化学性质在高温高压下极不稳定，因此很难保证可靠的坐封。

3） 解封时间长。在高温高压下，传统封隔器靠自身恢复原状，解封时间过长或最终无法完成完全解封，甚至因此而形成砂桥，降低了作业效率，增加了卡钻风险。

目前，已有几家国外公司研制出能够解决以上问题并拥有多年作业经验的连续油管喷砂射孔压裂用封隔器，其普遍具有的特点为：1次下入可完成任意次喷砂射孔、压裂作业；特殊材质和结构的胶筒可反复利用上百次；膨胀比最高可达1.14。此类设计属于连续油管作业工具尖端技术。本文就一种典型的适用于连续油管的封隔器进行结构和工艺介绍［9］，并以139.7mm（5英寸）套管为例，列举其相关参数。

1 部件组成和工艺原理

该封隔器管串从上至下依次包括：坐封单元和对坐封起辅助作用的锚组件、截流阀组件，如图1所示。用于喷砂射孔压裂时，封隔器上部连接喷枪和连续油管通用工具（例如：连接器、双瓣阀、循环阀、脱断器等）。

图1 封隔器整体结构

该喷砂射孔压裂作业工艺过程如下：

1） 用连续油管将钻具送入套管中指定位置。

2） 增加连续油管中液体流速，以液压的形式实现锚组件的锚定，同时液体清理了套筒壁，卡瓦将钻具定位，并保证钻具的轴向对中。

3） 下压连续油管，给封隔器提供轴向力，使封隔器完成初步坐封，同时关闭了截流阀，阻止液体从管串下部流出。

4） 增加循环液体流速使密封件完全坐封。

5） 实施射孔作业和压裂作业。

6） 分步骤上提连续油管完成解封。

2 坐封单元结构及工作原理

坐封单元结构如图2所示，主要部件包括：过滤器、顶环、软橡胶筒、硬橡胶筒、弹簧和下部短节。

图2 坐封单元

坐封单元的密封件包含2个环形并相连的密封元件，主密封件为软橡胶材质密封筒，硬橡胶筒位于软橡胶筒下部，硬橡胶筒中嵌入了环形螺旋弹簧。硬橡胶筒和弹簧用来防止高压坐封时软橡胶筒被挤入下部环空，弹簧可以协助软橡胶筒和硬橡胶筒在解封时快速恢复原状，提高解封效率、有效避免卡钻。软橡胶可以采用腈或高饱和腈材料，硬橡胶的硬度要高于95HD，通常是由几种原料混合制成，如腈和氢化丁腈橡胶等。

坐封分为3个过程：

1） 管串锚定后，下压连续油管，使中心管相对外壳向下移动，关闭了截流阀，直至扶正单元下表面与过滤外壳上表面接触，继续下压便将软橡胶筒压入环空实施初步坐封，如图3a所示，初封压力约为6.9MPa。

2） 循环液经过滤器流入软胶筒内部形成液压，液压向外扩张软橡胶筒、硬橡胶筒和弹簧原件实现完全坐封，如图3b所示。

3） 实施压裂作业时高压压裂液会通过过滤器进入软橡胶筒内腔，压力可达到13.8～48.3MPa，进一步增强密封效果。

图3 坐封过程示意

解封时，通过上提连续油管打开截流阀，流体从管串尾部流出，释放封隔器密封组件的压力，实现初步解封。中心管随连续油管向上移动后，坐封单元顶环与下部短节间距离将大于胶筒长度，从而使胶筒内部产生拉应力，强制胶筒解封，加快解封速度，并有效降低卡钻风险。

3 坐封辅助组件结构及工作原理

3.1 锚组件［10－11］

锚组件结构如图4所示，主要部件包括：①锚定原件：活塞、卡瓦等；②控制原件：弹簧、活塞、短节等。

图4 锚组件

锚活塞上有对应于卡瓦的斜面，如图5所示。在液压作用下锚活塞向下运动，推动卡瓦锚定于套管。卡瓦斜面倾角可设置为8.13°，产生7倍于轴向力的径向力。

图5 锚活塞与卡瓦

控制原件的短节有一些圆锥面，当短节被固定在特定位置时，锥面在液压作用下与活塞和弹簧相互作用，控制着锚定结构的锚定与解锚。控制元件结构简单，无剪钉、投球等限制作业次数的结构设计，因此可在1次入井后不限次数反复锚定。

压裂作业时，含支撑剂的压裂液从环空高压注入地层中由射孔形成的孔洞中，环空压力比地层压力高34.5～69.0MPa，同时连续油管和管串中的循环液流速降为0.1m3／min，流速的下降导致工具中的压差从3.5MPa下降到0.7MPa，但依然足够提供锚定力。

3.2 截流阀

截流阀组件通过将密封件压入内部缩径实现密封截流，主要部件为密封件，如图6所示。密封组件包括：密封圏、第1阻塞环、第2阻塞环、帽螺钉。第1阻塞环硬度最高，可采用热塑性材料；第2阻塞环硬度适中，可采用光纤填充的聚四氟乙烯；密封环硬度最低，可采用人造橡胶。第1阻塞环采用相对较硬的材料，可以避免沙粒对密封件的磨损，阀关闭时液体中夹杂了很多固体颗粒，这些固体颗粒进入第2阻塞环中保护了密封环。阻塞环要足够软，以吸收固体颗粒，保证整个密封件不被卡在缩径里，特别是在阀多次开关以后，软质材料更容易实现密封。帽螺钉由钢制成，与中心管螺纹连接，帽螺钉固定了第1阻塞环、第2阻塞环和密封圈。

图6 节流阀密封件结构

4 封隔器管串特点

1） 由软橡胶筒、硬橡胶筒、弹簧组合而成密封原件。该设计一方面在保证密封可靠的前提下提供了足够的膨胀比例，解决了封隔器半径过大、易卡钻的问题；另一方面加快了解封速度并保证解封完全。

2） 机械力与液压混合动力坐封，更适用于连续油管。

3） 橡胶筒上部增加过滤器原件。该设计保证了实施高压力作业时的安全坐封。

4） 解封时封隔器外壳设计为分段上提。该设计在解封上提管串时能够使橡胶筒内部产生拉应力，保证解封完全，避免卡钻。

5） 整体管串没有类似剪钉、投球设计，不限制作业次数。

6） 3层结构的截流阀密封件能够有效降低固体颗粒对密封圈的磨损，保证了多次开关后截流阀依然能够有效工作。

5 结语

目前，我国大力发展连续油管技术，但还没有研制出适用于连续油管的封隔器，为缩短研发周期、提升研发水平，可充分借鉴国外已有技术。本文介绍的封隔器不但可用于喷砂射孔压裂作业，还可应用于酸化等需要进行井筒封隔的其他工艺；另外，该结构配合普通钻杆使用也存在较明显优势，因此具有较广阔的市场应用前景。

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