一种消耗型压裂封隔器研制

刘 帅，张 劲，侯泽宁，刘建勋

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)①

一种消耗型压裂封隔器研制

刘 帅，张 劲，侯泽宁，刘建勋

(中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京 102249)①

油田压裂封隔器通常是通过胶筒的径向变形实现封隔动作，但现有胶筒耐高温与腐蚀性能较差，压裂操作时，容易变形，导致封隔器失效。研制了一种消耗型压裂封隔器，主要由中心管、限位环、扶正块、卡瓦座、卡瓦、锥体、耐压胶筒燃烧组件等组成。该封隔器卡瓦坐封安全可靠；通过燃烧组件燃烧封隔器实现解卡，且能加热储层，降低稠油黏度，提高稠油采收率。该封隔器可满足压裂施工的要求。

封隔器；压裂；卡瓦；消耗型；燃烧组件

封隔器是水平井裸眼分段压裂完井管串中的关键部件，其性能好坏将决定压裂施工的成败[1]。在采油工程中封隔器用来分层，封隔器上设计有采油通道，坐封时，活塞套上行，采油通道被打开；坐封后，上层压力作用在平衡活塞上，向上推耐压胶筒，使解封销钉免受剪切力；解封时，靠耐压胶筒与套管的摩擦力剪断解封销钉，活塞套下行，关闭采油通道[2]。

目前使用的封隔器存在以下问题：卡瓦组件容易发生脱落、卡套管或者张开角度不足，难以卡住套管内壁；受砂砾堵塞构件等原因的影响，卡瓦组件不能正常复位，导致卡钻事故；对稠油开采的采收率效果影响非常小；封隔器大多数是通过耐压胶筒的径向变形实现封隔动作的，但现有耐压胶筒耐高温与腐蚀性能较差，压裂操作时，容易变形，导致封隔器失效，压裂液因此漏失，污染其他储层，且降低了压裂效果；使用封隔器时，出现卡瓦先于耐压胶筒实现坐封，导致耐压胶筒扩张不完全，不能完全阻隔套管环空等[3-4]。

1 结构原理

1.1 结构

1.1.1 整体结构

消耗型压裂封隔器主要包括中心管、限位环、扶正块、扶正座、下卡瓦座、下卡瓦、下锥体、耐压胶筒、上锥体、上卡瓦、上卡瓦座、上接头、活塞管、支撑座、燃烧组件、轨迹槽和轨迹销钉等[5]。中心管上开设有轨迹槽，限位环套设在轨迹槽内，轨迹销钉插入限位环内，扶正座、下卡瓦座、下锥体、耐压胶筒、上锥体和上卡瓦座依次固定在中心管的外表面上，扶正座内设有扶正块，下卡瓦座内设有下卡瓦，上卡瓦座内设有上卡瓦，上接头连接在中心管的前端，且与上卡瓦座连接，活塞管设置在上接头和中心管之间，燃烧组件设置在上接头内，且与中心管连接[6]。如图1所示。

1—上锥体；2—上卡瓦；3—上卡瓦座；4—调整环；5—上接头；6—活塞管；7—支撑座；8—燃烧组件；9—第二密封圈；10—第一密封圈；11—剪切销钉；12—中心管；13—密封套环；14—限位环；15—扶正块；16—扶正座；17—下卡瓦座；18—下卡瓦；19—下锥体；20—耐压胶筒；21—隔环；22—轨迹槽；23—轨迹销钉；24—调节弹簧；25—塔簧。

1.1.2 内部结构

燃烧组件包括火药座、烟火混合填充物、热源填充物、装有助燃剂混合液的容器、点火器内壳、击发撞针、点火器外壳等，如图2所示。

1—火药座；2—烟火混合填充物；3—热源填充物；4—装有助燃剂混合液的容器；5—点火器内壳；6—击发撞针；7—点火器外壳。

点火器内壳和点火器外壳均与火药座连接，烟火混合填充物位于火药座之内，热源填充物与烟火混合填充物连接，装有助燃剂混合液的容器设置在点火器内壳和点火器外壳之间，且与热源填充物连接。

击发撞针设置在点火器内壳和点火器外壳之间，且通过剪切销钉与点火器外壳固定连接。击发撞针和点火器外壳之间设有第一密封圈，火药座通过投球座连接到中心管上，点火器外壳上设有活塞孔，击发撞针上设有凹槽。活塞孔和凹槽各设有4个，位置对应设置。击发撞针采用倾角为41°的锥形头。火药座与中心管之间设有第二密封圈。限位环与中心管之间设有密封套环。

耐压胶筒内表面上设有V型槽，耐压胶筒设有数个，各个耐压胶筒之间设有隔环。扶正块和扶正座之间设有调节弹簧。下卡瓦座和下卡瓦之间、上卡瓦和上卡瓦座之间均设有塔簧。活塞管与上卡瓦座之间设有调整环。中心管的材质为可燃的高分子聚合物。耐压胶筒的材质为高分子碳纤维编织层与橡胶的合成[7]。

1.2 工作原理

依据油田地质要求和测井数据及分压层段数，按完井设计，将封隔器的管串下入到预定位置。该消耗型压裂封隔器的下卡瓦组件中，4组卡瓦中的1个用销钉与中心管连接，保证卡瓦结构密封紧密。当上提中心管时，因卡瓦被销钉限制，首先耐压胶筒实现坐封；继续上提，卡瓦销钉被剪切，卡瓦张开实现坐封。卡瓦组件中，卡瓦与基座间隙通过塔簧配合，为卡瓦张开提供径向环空，保证卡瓦的坐封效果。通过燃烧组件燃烧封隔器，实现解卡；通过燃烧，加热储层，提高采收率。耐压胶筒内表面上割出V型槽，槽内设有隔环，便于耐压胶筒受压时，更有效地进行轴向扩张[8-13]。

1.3 主要技术参数

最大外径 154 mm

最小内径 86 mm

工作温度 130 ℃

环空密封压力 0 MPa(井径≤185 mm)，60 MPa(井径≤220 mm)

适应井径 170～200 mm。

2 工装设计及关键技术

2.1 组装工艺

同常规封隔器的组装类似，消耗型压裂封隔器着重突出“消耗型”这一特点进行组装。具体流程如下：

1) 将限位环自上而下插入密封套环大内径端，其螺纹孔与密封套环螺纹孔对齐。取3个调节弹簧，分别插入扶正块的3个槽中。将装配好的扶正块插入扶正座的U型槽中，其两端耳部抵住扶正座的上下肩。

2) 将1个塔簧的小外径端插入下卡瓦座的塔形内槽中；取1个下卡瓦，将塔簧大外径端抵住其凹槽外表面，并将卡瓦下部凸起插入卡瓦座限位槽中；取有螺纹孔的一个卡瓦，将其螺纹孔与中心管上对应位置螺纹孔对齐；取一个胶筒，自上而下将其插入下锥体大内径端，抵住下锥体上内肩。

3) 将装配好的上卡瓦组件内锥面端朝下，自上而下套在上锥体上，抵住上锥体锥面。将调整环插入上卡瓦座大内径端，抵住上卡瓦座肩部。支撑座小外径端朝下，将支撑座公螺纹与中心管大内径端母螺纹连接；活塞管自上而下套在中心管外，抵住调整环上端。

4) 将密封胶圈放入中心管上端U型槽中。将投球座小外径端公螺纹与火药座大内径端母螺纹连接。将烟火混合物放入火药座的U型槽中，热源填充物抵住火药座上端，其外端与火药座小外径端对齐。

5) 将助燃剂混合液抵住烟火混合物上段，其内端与烟火混合物内端对齐。击发撞针锥面端朝下，自下而上套入点火器外壳，其螺纹孔与点火器螺纹孔对齐。取剪切销钉，将击发撞针螺纹孔与点火器外壳螺纹孔用螺纹连接。将点火内壳槽口套在激发撞针外，其顶端与激发撞针顶端对齐。将点火器组件套在火药座上，其点火外壳大内径端母螺纹与火药座小外径端公螺纹连接。其点火器内壳小外径端公螺纹与火药座大内径端母螺纹连接[14]。

2.2 关键技术

同传统封隔器一样，完成压裂作业后，继续增压，压裂液从点火器外壳的活塞孔进入击发撞针的凹槽中，为击发撞针提供一个轴向向下的压力，推动击发撞针向下移动，切断剪切销钉，继续向下移动，撞碎装有助燃剂混合液的容器，助燃剂与热源填充物充分接触、反应。

助燃剂原理：氢氧化钠遇水持续发热，并保持高温，将氢氧化钠反复涂覆在纤维编织层上，将纤维层反复缠绕制成热源填充物，遇水后产生持续高温，用以点燃烟火混合物，使其达到燃点。烟火混合物受热达到燃点后，燃烧镁合金材质的水力锚组件，最后将大部分水力锚组件燃烧干净，避免封隔器卡瓦解锁失效，从而为下个储层的压裂作业提供通道。同时，通过加热，也能降低储层流体粘稠度，为提高采收率提供帮助。

根据现有胶筒材料的不足，本设计中采用改良过的耐压胶筒。耐压胶筒采用高分子碳纤维编织层与橡胶合成，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀的特点，不会造成耐压胶筒破裂现象，使密封效果得到了增强，耐压胶筒内表面上割出V型槽，便于耐压胶筒受压时，更有效地进行轴向扩张[15-17]。

3 试验

3.1 功能试验

177.8 mm消耗型压裂封隔器装配完成后，模拟现场使用条件对其进行了一系列功能性试验，如表1。

表1 功能试验数据

3.2 现场试验

177.8 mm消耗型压裂封隔器于2016-04-16在吉林油田进行了2口井的试验。坐封压力稳定在27 MPa。顺1井套破前日产油2.43 t，使用消耗型压裂封隔器坐封后日产油2.02 t，产量恢复率为83.1%；顺7井套破前日产油7.21 t，使用消耗型压裂封隔器坐封后，日产油恢复到5.13 t，产能恢复率为71.2%。可见使用该封隔器后产能恢复率较高，说明该封隔器的密封性能较好。

4 结论

1) 消耗型压裂封隔器采用改良的耐压胶筒，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀的特点，不会造成耐压胶筒破裂现象，使密封效果得到了增强，耐压胶筒内表面上割出V型槽，便于耐压胶筒受压时，更有效地进行轴向扩张。

2) 消耗型压裂封隔器设有燃烧组件，通过燃烧组件燃烧封隔器，实现解卡，并且燃烧过程可以加热储层，提高采收率。

3) 现场试验表明，该消耗型压裂封隔器强度及密封性满足现场使用。

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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 作者简介：刘 帅(1992-)，男，辽宁铁岭人，硕士研究生，研究方向：水力压裂，E-mail：liushuai100313@163.com。

1001-3482(2017)02-0065-04

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.02.015