无节流自助解封封隔器设计

孙鑫 林铁军 韩永亮 胡涛

(1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500；2. 渤海钻探工程有限公司工程技术研究院， 天津 300280)

1 当前封隔器应用存在的问题

近年来，封隔器机械分层压裂技术已经成为低压、低渗透油气资源开发的主要手段，在国内外油气田得到了广泛应用[1]。在分层压裂施工中，目前常用的是采用扩张胶筒的K344封隔器与采用压缩胶筒的Y241封隔器。

K344封隔器是通过节流底阀和喷砂滑套喷砂口等效孔径的结构设计，在一定排量下产生的节流压差来完成坐封[2]。K344封隔器坐封所需节流压差限制了施工排量、加砂量和施工规模，同时增加了地面设备泵压的负荷，加剧了喷砂滑套喷砂口的磨损，存在整个管柱从喷砂滑套喷砂口处断裂的风险。K344封隔器在节流压差0.5～1.0 MPa下就可以实现坐封，坐封起始值较低。在下入过程中，易因油套管压力的波动产生意外提前坐封，造成胶筒摩擦损坏，存在无法实现有效坐封或者封隔器密封不严的风险。管柱泄压后，K344封隔器依靠扩张胶筒的回弹力解封，但扩张胶筒自身的结构特征决定了胶筒回收不完全。如遇砂堵，则会出现砂卡、砂埋封隔器的情况，存在起管柱困难或者无法起出管柱的风险。K344封隔器扩张胶筒承压能力较压缩胶筒差，压裂施工过程中，套管内必须打平衡压力，以保证胶筒的高压密封效果；但在地层压力较高的井施工时，存有胶筒在高压下撕裂破坏，导致胶筒密封失效的风险。

Y241封隔器采用双向卡瓦结构，克服了水力锚结构的不足，能满足分层酸化、分层压裂、分层注水以及分层挤堵作业的需要[3]。同时，坐封过程中不需要节流压差，可以满足大规模多层压裂施工的要求。但是应用Y241封隔器存在诸多问题。如，在下井过程中，易因油套管压差的波动导致内部的剪切销钉提前剪断，存在提前误坐封的风险。施工结束后不能直接解封，必须通过上提管柱机械解封。解封时由于多个封隔器金属锚瓦、卡瓦解封力累积效应的增大，存在不完全解封或无法解封的情况。如遇砂堵，解封将更加困难，造成起管柱困难或者无法起出管柱的风险。

针对以上封隔器的不足，我们分析了其他封隔器的研究情况[4-5]。最终，设计出一种既可以满足下入、坐封与解封稳定可靠，又可以满足大排量和大砂量压裂施工要求的无节流自助解封封隔器。

2 无节流自助解封封隔器设计

2.1 封隔器结构及工作原理

无节流自助解封封隔器由动力机构、自助解封机构和密封机构等主要部件构成，如图1所示。其中，动力机构主要由动力腔、动力活塞、空气腔和限位极限等构成，自助解封机构主要由弹簧和动力活塞等构成，密封机构主要由压缩胶筒和压环等构成。无节流自助解封封隔器工作过程包括下入过程、坐封过程与解封过程。

1 — 上接头；2 — 上中心管；3 — 压缩胶筒；4 — 压环；5 — 弹簧中心管；6 — 弹簧；7 — 动力活塞；8 — 下中心管；9 — 密封圈；10 — 下接头；11 — 空气腔；12 — 限位极限；13 — 传压孔；14 — 动力腔

(1) 下入过程。根据施工井的垂深选择弹簧型号，调整封隔器自助解封机构预压力值，使该压力大于管柱内静液柱压力3～5 MPa。以此消除管柱内静液柱压力的影响，避免管柱下入中途封隔器误坐封，按施工设计要求下入封隔器至预定位置。

(2) 坐封过程。实施压裂时，关闭套管闸门，油管内打压(也可以从套管内打压)，液压力经传压孔传至动力机构动力腔内，推动动力活塞上行并压缩空气腔。同时，该封隔器独有的自助解封机构此时被压缩，弹簧实现蓄力，动力活塞推动压环上行并压缩胶筒。当该压力达到封隔器初封压力(15 MPa以上)时，封隔器完成初封，封隔油套管环形空间，继续提高压力；当动力活塞移动达到空气腔内的限位极限时，封隔器即完成坐封过程。封隔器完全坐封如图2所示。

图2 无节流自助解封封隔器完全坐封示意图

(3) 解封过程。当压裂施工完成，且油管泄压后，自助解封机构弹簧强制回弹，带动动力活塞下行，给胶筒留出自由空间，胶筒在自身回弹力和自助解封机构弹簧的自助解封力的双重作用下快速解封。解封后即实现油套管的连通，防止因地层出砂导致砂埋封隔器。

2.2 主要技术参数

无节流自助解封封隔器主要技术参数如下：总长为1 400 mm；最大外径为116 mm；胶筒外径为113 mm；内通径为62 mm；耐温达120 ℃；耐压达70 MPa；初封压力为15 MPa；适用套管内径为121～124 mm。

2.3 封隔器的设计特点

(1) 不需要通过节流压差实现坐封，与油套环空压差无关，只与管柱内压力有关。不打压不坐封，坐封方便易控制。

(2) 密封机构采用压缩胶筒结构，具有良好的耐高温高压性能。同时，相较于扩张胶筒，提高了解封的可靠性。

(3) 弹簧自助解封机构，可以平衡管柱内静液柱压力的影响，避免管柱下入中途封隔器误坐封。此设计提高了管柱下入的安全性。

(4) 弹簧自助解封机构，可多次重复坐封和解封，停压即解封。同时，胶筒在弹簧自助解封机构帮助下回收迅速，消除了砂埋封隔器的风险。

(5) 下中心管设计为割缝防砂进液管，解决了压裂砂进入动力机构动力腔体而导致停泵后胶筒无法完全回收的问题。

(6) 动力机构中设计了限位极限，既能使封隔器胶筒达到最佳的密封性能，又能避免胶筒过度膨胀，延长胶筒的使用寿命。

3 室内试验及现场应用

3.1 室内试验

无节流自助解封封隔器加工完成后，用试验工装模拟井下工况(以垂深3 500 m为例)，进行了弹簧自助解封机构预紧压力试验、初封压力试验、胶筒承压试验与解封性能试验。

(1) 弹簧自助解封机构预紧压力试验。将装配好的无节流自助解封封隔器上接头接上试压接头，下接头接上死堵；将试压泵与试压接头相连，打压3次并观察封隔器动力活塞开始移动的过程，记录此时压力，即弹簧自助解封机构预紧压力。封隔器弹簧自助解封机构预紧压力试验记录如表1所示。

表1 封隔器弹簧自助解封机构预紧压力试验记录

(2) 初封压力试验。将装配好的无节流自助解封封隔器上接头处接上试压接头装入51/2″套管试压缸内，试压缸下接头处接上死堵；将放压阀装在试压缸上接头一端，压力表装在死堵一端；将试压泵与试压接头相连，关闭放压阀，分别打压至52、54 MPa，打开放压阀放掉上接头处环空压力。若试压泵压力下降但能稳住，记录此时的压力变化，则表明封隔器此时已经启动坐封；若试压泵压力降为零，则表明封隔器未启动坐封。其初封压力试验记录如表2所示。

表2 无节流自助解封封隔器初封压力试验记录

(3) 胶筒承压试验。封隔器完成坐封后，试压泵继续打压至70 MPa，稳压1 h，观察是否出现渗漏，验证封隔器的胶筒承压性能。封隔器胶筒承压试验记录如表3所示。

表3 封隔器胶筒承压试验记录

(4) 解封性能试验。缓慢放掉压力，观察封隔器是否能够顺利解封；解封完成后取出封隔器，观察胶筒和动力套是否完全移动回原位，并测量胶筒最大外径。可以看出，取出后的封隔器与上接头接触的胶筒端面出现轻微变形，其解封性能试验记录如表4所示。

表4 无节流自助解封封隔器解封性能记录

3.2 现场应用

为了验证此无节流自助解封封隔器的性能，2018年在苏里格气田将其应用于顶封单层压裂施工作业。作业过程中，封隔器坐封、验封一次性完成，封隔器整体密封性能良好，最大施工排量达到6.4 m3/min，油压为21～56 MPa，加砂量为45 m3。压裂施工结束停泵后，封隔器即实现解封。具体压裂施工曲线如图3所示。

图3 无节流自助解封封隔器顶封单层压裂施工曲线

4 结 语

本次无节流自助解封封隔器设计，采用了压缩胶筒结构，不需要通过节流压差实现坐封。同时，此封隔器中设置了弹簧自助解封机构，具有耐温耐压性能好、下入过程安全、坐封方便、解封迅速、胶筒易回收等特点。由于不需要通过节流压差实现坐封，而是通过液压来实现坐封与解封，因此，可以满足大排量、大砂量压裂施工改造的需求。室内试验和现场应用结果表明，无节流自助解封封隔器下入、坐封、解封均稳定可靠，耐压差可达到70 MPa，满足各种油气井多层压裂施工需求，具有良好的应用前景。