基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器研制

刘玉民　刘哲岳

1.中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院 2.中国地质大学（武汉）资源学院

刘玉民等.基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器研制.天然气工业，2016， 36（9）: 102-106.

基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器研制

刘玉民1刘哲岳2

1.中国石油大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院 2.中国地质大学（武汉）资源学院

刘玉民等.基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器研制.天然气工业，2016， 36（9）: 102-106.

为了满足水平井裸眼分段压裂工艺对悬挂封隔器的“下得去、挂得住、脱得开、封得住、提得出”的更高要求，研制了双向锚定密封悬挂封隔器。该悬挂封隔器由中心管、主体、双向锚定管柱机构、环形空间密封机构、定位球及控制阀组成，其主要技术特点包括：①该悬挂封隔器不但具有双向锚定管柱、密封环形空间的功能，而且还具有无需钻柱倒扣或者另设丢手工具就可以实现钻柱与悬挂封隔器分开的特性；②具有“只有投球后进液通道才能打开—悬挂机构坐挂—密封机构坐封—中心管解脱”联动程序的控制阀，避免了悬挂封隔器提前坐挂、完钻后钻杆无法解脱的问题，也确保了悬挂封隔器若未坐挂可应急提出整个管柱；③新颖的多级防退设计，提高了双向锚定管柱、环形空间密封的性能；④设计了具有在常规解脱失效时确保钻具提出的安全机构。地面模拟试验结果表明：所研制的双向锚定密封悬挂封隔器的双向锚定管柱、环形空间密封、安全起出钻柱等性能均达到设计要求。

水平井分段压裂悬挂封隔器悬挂器安全程控双向锚定密封

裸眼分段压裂技术主要应用于低丰度、低渗透、低产出油气水平井的完井改造。在水平井裸眼完井施工过程中实现一趟管串多级分段压裂，以达到提高单井产量，实现高效开发的目的。悬挂器是石油天然气钻完井经常使用的井下工具［1-8］，悬挂封隔器也是水平井裸眼分段压裂的常用工具［9-18］。为了满足裸眼分段压裂工艺对悬挂封隔器“下得去、挂得住、脱得开、封得住、提得出”的更高要求，研制了基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器。

1　设计要点

1.1应该达到的技术指标

1）双向锚定管柱能力：2 000 kN；

2）环形空间密封能力：60 MPa；

3）使用温度：-40～+150 ℃。

1.2应该满足的工况条件

1）要能够下入内径Ø224.5 mm套管之中。

2）在此工具施工之前管内的液压变化不影响工具的正常工作。

3）保证压裂封隔器施工所投球顺利通过此工具内孔。

4）既要确保将工具以下套管可靠悬挂在技术套管内壁，又要抵抗压裂作业时套管向上的上抬力。

5）确保套管回接所需的接口。

2　结构及原理

2.1结构

基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器主要由送入中心管（含安全销钉等）、主体、双向锚定管柱机构（含卡瓦、卡瓦滑套、坐挂剪销、卡簧等）、环形空间密封机构（含胶筒、密封滑套、密封剪销、卡簧等）、定位球、控制阀（含工作球、内套、进液销钉、球座销钉等）组成，如图1所示。

图1　基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器结构示意图

2.2原理

基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器随管柱下入预定位置后，投球憋压，控制阀开启，悬挂机构坐挂；继续升压，密封机构坐封；继续升压，控制阀继续动作，定位球移除，送入中心管与主体解脱；上提送入中心管与主体脱开，最后钻杆与送入中心管同时起出。

2.3技术特点

1）设计了具有多级联动功能的安全程控阀。当投球后，便可依次完成“只有当投球后进液通道才能打开—悬挂机构坐挂—密封机构坐封—中心管解脱”的联动程序。避免了悬挂封隔器提前坐挂和完钻后钻杆无法解脱的问题，也确保了悬挂封隔器若未坐挂可应急提出整个管柱。

2）设计了具有多级防退性能的双向锚定管柱机构，使得悬挂封隔器既能有效悬挂管柱，又能可靠地抵抗管柱受到的向上的反推力。

3）设计了具有多级防退性能的环形空间密封机构，提高了环形空间密封性能。

4）设计了具有在常规解脱失效时确保钻具提出的安全机构。当送入中心管一旦不能正常解脱时，向钻杆内投掷安全球，安全机构将送入中心管一分为二，送入中心管上半部分随钻杆起出，为后期作业打下基础。

3　计算

1）设锥体锥角为2α，锥体悬重为P，卡瓦均匀分布，卡瓦与套管内壁摩擦系数为μ1，卡瓦与锥体表面的摩擦系数为μ2，如图2所示。

图2　锥体、卡瓦受力分析图

2）分析锥体的悬重（P）和卡瓦的反力（T）的作用关系。

因为正压力N和摩擦力（μ2N）是卡瓦的反力在锥面上两个分力，所以也可写成：

得到tgβ=N/（μ2N），即

3）分析卡瓦受力情况。

卡瓦内锥面上受到锥体对卡瓦的正应力和摩擦力，合力为卡瓦的反力，卡瓦牙处受到外层套管法向压力（N1）和摩擦力，在这些力的作用下，卡瓦处于平衡。

由于外层套管法向压力、摩擦力是卡瓦的反力的分力，所以可写成：

要防止卡瓦打滑（自锁），摩擦力应大于卡瓦的反力的轴向分力，即：

将式（4）代入式（7），整理得：

将式（3）代入式（8），整理得：

令μ1= 0.5（卡瓦外表面有牙齿，故卡瓦与套管内壁摩擦系数大），μ2= 0.1（卡瓦内表面与锥体外表面均较光滑，故而知之间摩擦系数较小），则得：α＜20.85º。

4）悬挂封隔器的悬挂负荷计算。

为使计算模型简化（图3），假设：①卡瓦在受力时和套管紧贴，卡瓦外圆面受力均匀分布，力的作用线通过圆心；②卡瓦作用区以外的套管不影响卡瓦作用区的应力；③卡瓦和锥体受力时不变形；④套管受力后直径不变；⑤套管为薄壁筒；⑥卡瓦均匀分布。

图3　套管、卡瓦受力分析图

据图3所示，可列出下列方程式：

则

式中σ表示套管材料最小屈服极限，MPa，若244.5 mm套管为N80钢级，则σ=551.58 MPa；δ表示套管壁厚，mm，δ=10.033 mm；L表示卡瓦作用面长，mm，L=90 mm；F表示卡瓦作用面积，mm2；Q表示卡瓦外圆面上平均压力，N/mm2；θ表示圆心角，（º），θ1=16.25º，θ2=73.75º；r表示套管内半径，mm，r =112.25 mm。

根据式（2），得

将式（15）代入式（5）得：

卡瓦外圆面平均压力q= N1/F= N1/（4F卡），则

式中F卡表示单片卡瓦的外圆面积（设共有4片相同的卡瓦），mm2，F卡=2πrL（θ2-θ1）/360=πrL（θ2-θ1）/180。

将式（17）代入式（14）得：

令A=11.25（cosθ1-cosθ2）/［π（θ2-θ1）］，则

于是得出额定负荷公式：

式中n表示安全系数，取2；α表示锥体半锥角，（º），α=17.5º。

解得：P额=2 518.6 kN。另外，计算得：当n=1.3时，P额=3 874.78 kN； 当n=1时，P额=5 037.2 kN。

4　地面模拟试验

4.1地面模拟试验流程

1）按管串程序把工具连接好（预先将工作球放入工具中），如图4所示。

2）将泵车管线和管串连接好，清水循环至稍有压力波动，放气。

图4　悬挂封隔器动作试验管串图

3）缓慢憋压至5.0～6.0 MPa，剪断进液销钉，进液通道打开。

4）继续憋压保持在5.0～6.0 MPa，剪断坐挂销钉，卡瓦坐挂，稳压3 min。

5）继续憋压至10.0～11.0 MPa，剪断坐封销钉，胶筒坐封，稳压3 min。

6）继续憋压至15.0～16.0 MPa，剪断工作球座销钉，憋掉球座，压力回零。

7）将管线与接头、接头与工具上接头螺纹先后卸开，向悬挂封隔器上端投球后，再分别连接所卸开接头，如图4所示。

8）缓慢升压至15.0～16.0 MPa，剪断安全销钉。

9）拆卸管串，将送入中心管从主体中拆出来。

10）将高压泵出水管线与环空测试接头连接，如图5所示。

图5　悬挂封隔器环形空间密封性能试验管串图

11）升压至开始渗漏。

12）放压回零。

13）将高压泵出水管线与环空测试接头拆卸掉。

14）将工具放置在拉压架中，如图6所示。

图6　悬挂封隔器双向锚定管柱性能试验管串图

15）施加轴向压力，直至工具发生移动。记录工具移动时的压力值。

16）拆卸工具。

17）工具放置原位，清理现场。

4.2地面模拟试验数据

记录地面模拟试验数据如表1所示。

1）坐挂、坐封、脱开及安全起出钻柱的剪销压力的准确、可靠。

2）双向锚定管柱、环形空间密封、脱开及安全起出钻柱性能达到设计要求。

表1　悬挂封隔器地面模拟试验记录

5　结论

1）基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器设计了双向锚定管柱机构，使得悬挂封隔器既能有效悬挂管柱，又能可靠地抵抗管柱受到的向上的反推力。

2）基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器设计了具有多级联动功能的控制阀，避免了悬挂封隔器提前坐挂和完钻后钻杆无法解脱的问题，也确保了悬挂封隔器若未坐挂可应急提出整个管柱。

3）基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器设计了具有在常规解脱失效时确保钻具提出的安全机构，当送入中心管一旦不能正常解脱时，送入中心管上半部分能随钻杆起出，为后期作业打下基础。

4）地面模拟试验表明：基于安全程控的双向锚定密封悬挂封隔器的双向锚定管柱、环形空间密封、脱开及安全起出钻柱性能达到设计要求。

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（修改回稿日期 2016-07-16 编辑 凌忠）

Research and development of a suspending packer with bidirectional anchoring and sealing based on safety program

Liu Yumin1， Liu Zheyue2
（1. Drilling Engineering Technology Research Institute， CNPC Daqing Drilling Engineering Company， Daqing，Heilongjiang 163413， China； 2. School of Energy Resources， China Uniνersity of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 9， pp.102-106， 9/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

When open-hole staged fracturing of horizontal wells is carried out， the suspending packer should have the advantages of smooth running， fast hanging， convenient separating， good sealing and easy pulling out. In this paper， a suspending packer with bidirectional anchoring and sealing was developed to meet these requirements. This suspending packer is composed of central pipe， main part，bidirectional anchoring string mechanism， annulus seal mechanism， positioning ball and control valve. Technically， it presents the following characteristics. First， it can fulfill the functions of bidirectional anchoring string and sealing annulus， and separate the suspending packer from the drilling string without drill string backing-off or another releasing-tool setting. Second， it is equipped with the control valve with the linkage program of "opening the incoming fluid channel only after ball dropping， setting hanger mechanism， setting seal mechanism， and releasing the center pipe"， so as to avoid the premature setting of suspending packer and guarantee the releasing of drilling pipes after drilling and the emergent pulling out of entire string in the case of failed setting of suspending packer. Third， the novel multistage anti-receding design improves the performance of bidirectional anchoring string and annulus seal. And fourth， the safety mechanism is designed to make sure that drilling tools can be pulled out in case of conventional releasing failures. The suspending packer with bidirectional anchoring and sealing was tested by performing ground simulation experiments. It is shown that its performance of bidirectional anchoring string， annulus seal and safe pulling out of drilling string can meet the design requirements.

Horizontal well； Staged fracturing； Suspending packer； Hanger； Safety program； Bidirectional anchoring； Seal

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.09.012

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“采油及井下作业新技术新装备研究与现场试验”（编号：2008C-2801）。

刘玉民，1965年生，高级工程师，硕士；主要从事油气钻井、完井工具方面的研究工作。地址：（163413）黑龙江省大庆市红岗区八百垧。电话：（0459）4893474。ORCID: 0000-0003-0823-2757。E-mail: liuyumin@cnpc.com.cn