具有双防退功能的封隔器技术研究与应用

1 引言

对有封隔要求的特殊井进行尾管固井，需要使用封隔器完成尾管顶部封隔。受到尾管悬挂器结构限制，通常选用压缩式封隔器，通过对该封隔器进行轴向压缩使其密封件径向膨胀实现封隔功能。现场悬挂器顶部封隔器多采用内锁紧卡簧机构防退、锁紧胶筒，机构简单可靠，但承载能力低，坐封后出现回退现象，导致封隔性能下降。顶部封隔器采用多胶筒机构，提高了封隔压力，但在尾管快速下入、大排量循环时，容易出现提前坐封的现象[1-2]。针对上述问题，通过改进结构研制出带防退卡瓦的压缩式单胶筒封隔器。使用防退卡瓦提高胶筒的防退性能，防止胶筒在坐封及封压过程中收缩；胶筒中间增加密封环提高可靠性、防止胶筒失稳，胶筒两侧采用组合割缝防突环结构，防止坐封、封压过程中胶筒发生偏移、外突保证封压。

2 常规封隔器结构及工作原理

常规封隔器结构，如图1所示。包括胶筒和防退机构两部分，胶筒采用三胶筒结构，胶筒两侧有防突铜套进行保护，防止胶筒坐封及封压过程中出现损坏，防退机构采用双面卡簧防退，由卡簧、锁紧套、坐封剪钉组成[3]。

  

图1 常规封隔器结构Fig.1 The Regular Packer Structure

封隔器安装在尾管悬挂器回接筒下端，悬挂器下到目的层后，上提送入工具将坐封挡块提出回接筒，坐封挡块出回接筒后自动弹开，再下压送入工具坐封挡块顶在回接筒端口，继续下压挡快通过回接筒推动锁紧套下行挤压封隔器胶筒，使胶筒直径增大并与套管内壁紧密接触具备密封功能[4]，结构，如图2所示。该封隔器采用内锁紧卡簧机构防退、锁紧胶筒，机构简单可靠，但承载能力低，坐封后出现回退现象，导致封隔压力下降，封隔器在承受环空高压时，容易发生胶筒外突现象，导致密封失效。

  

图2 带封隔器的悬挂器Fig.2 The Liner Hanger with Paker

3 具有双重防退封隔器技术分析

3.1 封隔器结构及工作原理

与常规尾管顶部封隔器原理一样，单胶筒封隔器安装在尾管悬挂器上端，通过上提送入工具坐封挡块再下压回接筒挤压胶筒实现密封，但单胶筒封隔器增加了防退机构，回接筒需要通过锁紧套挤压胶筒，下压过程中胶筒两端防突环涨开，与胶筒一起紧密接触套管内壁，防突环起到保护胶筒的作用，继续下压超过坐挂剪钉剪切值，防退卡瓦剪钉剪断实现瓦坐挂。

  

图3 具有双重防退功能的单胶筒封隔器Fig.3 The Packer with Double Equipments to Prevent Drawing Back

为防止封隔器入井过程中因遇阻下压提前坐封，锁紧套与本体之间通过坐封剪钉固定，根据现场应用要求坐封剪钉剪断压力设计为120kN，防退卡瓦与卡瓦锥体通过坐挂剪定固定，坐挂剪钉剪断压力为300kN，高于坐封剪钉剪断压力180kN，保证胶筒坐封后防退卡瓦才能启动坐挂。

3.2 防退机构分析

由于封隔器工作深度大于3000m，该位置温度高于90℃，考虑到温度较高胶筒选用氟橡胶。为防止胶筒胶筒封压过程中失稳，在胶筒中间采用支撑环，支撑环为钢制材料并且中间留有密封槽，配合密封圈，保证胶筒涨封后不会因为胶筒中间存在空腔影响封压。防突机构采用组合膨胀环结构。坐封过程中防突环外径与套管内径重合，保证胶筒向油套环空方向涨封，不会出现轴向窜动的情况，有效的提高胶筒与套管之间的接触应力，获得良好的封压性能[6]。

  

图4 防退卡瓦Fig.4 Hanger to Prevent Drawing Back

3.3 胶筒结构分析

常规封隔器坐封后环空压力较高时，防退机构容易出现回退导致封隔器封隔压力下降甚至失效，为解决该问题，防退装置采用双面卡簧与防退卡瓦构成的组合防退机构，防退卡瓦，如图4所示。封隔器坐封过程中首先将胶筒涨封，然后继续轴向下压将防退卡瓦剪钉剪断坐挂卡瓦，双面卡簧与防腿卡瓦共同起到防退作用。双面卡簧防退机构采用双面卡簧防退，卡簧内外表面设计不同螺距、不同锥度的螺纹，其中内表面螺纹齿为三角形，与本体螺纹配合，封隔器坐封过程中，螺纹齿沿斜面单向运动实现防退，而外表面螺纹形成径向的抱紧力，提高螺纹的防退效果[5]；防退机构因采用螺纹防退，螺纹齿间距并不完全啮合，封隔器坐封后因胶筒挤压导致回退，降低胶筒的坐封效果，为此增加防退卡瓦，卡瓦坐挂在上层套管与封隔器之间且卡瓦牙具有倒齿结构，能够嵌入到上层套管内壁与其牢固固定，明显提高防退效果。

在结构设计、胶筒优选的基础上研制出10-3/4＂×7-5/8＂单胶筒封隔器样机，如图6所示。为验证封隔器性能对其进行封压试验。封隔器装入套管内加载，首先加载到120kN剪断坐封剪钉坐封，继续加载350kN剪断坐挂剪钉完成卡瓦坐挂、实现卡瓦防退功能。

4 试验研究

为模拟实际工作环境，使用加热装置将封隔器及外层套管加热至150℃，然后在靠近胶筒一端的套管连接封头及试压泵进行打压，最高承压能力达到70MPa，而采用无防退卡瓦的封隔器进行坐封打压试验，承压能力为43MPa，数据，如图7所示。试验表明防退机构能够显著增大封隔器密封能力。

试验完成后剖开套管观察封隔器状况，胶筒已充分胀封并与套管紧密接触，胶筒两侧的防突环未发生位移及破坏，起到对胶筒的限位及保护，胶筒涨封良好。卡瓦沿卡瓦锥体爬升并未发现损坏，卡瓦牙已嵌入套管内壁并且压痕明显，卡瓦已充分起到防退作用，如图8所示。

  

图5 不同硬度胶筒的封隔器耐压对比Fig.5 Compression Test Comparison Diagram of Different Sleeves

纵观进博会上的各国展台，国外“特产”能在中国市场立足，除了得益于我国对外开放政策外，自身优势也很重要，其在加工、包装设计、市场细分等方面，有不少做法值得我们借鉴。拿泰国烧烤椰为例，普通的椰青经过烘烤，去除了纤维部分，留下的完整部分可以保鲜6个月。此举并未涉及什么技术难题，却使产品实现了从普通水果店铺到超市精品零食货架的跨越。又如，大洋洲一款针对孕妇的奶粉，打出“愿你生子归来，依然少女身材”的广告，十分引人注目。

  

图6 带防退卡瓦单胶筒封隔器结构Fig.6 The Structure of Packer with Double Equipments to Prevent Drawing Back

在结构改进基础上进行样机试制，其中胶筒材料、硬度参数较为关键，对密封性能影响较大，根据实际应用条件选择氟橡胶材料，为确定不同硬度胶筒的封压参数，使用常规10-3/4＂×7-5/8＂压缩式单胶筒封隔器进行封压试验，根据现场实际应用选取6种硬度分别为 65HS、70HS、75HS、80HS、85HS、90HS 的胶筒在套管内坐封（加热至150℃），坐封下压力为350kN，坐封后进行封压性能试验，试验结果，如图5所示。数据表明相同封压条件下，硬度为85HS的胶筒封压能力最高，达到43MPa，因此所研制的单封隔器使用硬度85HS的胶筒。

本研究中补肾活血通窍方组成仙鹤草30g，熟地黄 15g，山萸肉 15g，山药10g，补骨脂 10g，菟丝子10g，狗脊 10g，枸杞子 10g，五味子 10g，磁石 30g，王不留行 18g，桃仁 10g，葛根 10g，石菖蒲 6g，炒谷芽15g。方中选用熟地、山茱萸、山药补肾益气健脾为君药；补骨脂，菟丝子、枸杞子、五味子入肝肾经，补中有泻，泻中有补，平补肝肾为臣药；王不留行、桃仁活血化瘀，寓祛瘀生新之意为臣药，磁石平肝潜阳、聪耳明目，五味子酸甘养护心肾，炒谷芽健脾为佐药，石菖蒲健脾宁神开窍，葛根鼓舞清阳，引药达病所为使药，诸药合用以达补肾活血通窍之力。

  

图7 改进前后封隔器封压性能对比曲线Fig.7 Correlation Curve of Pressure Test

  

图8 地面测试试验后防退卡瓦Fig.8 The Slips of the Test

晚上，我将今天拍摄的视频和照片都发到班级微信群，家长们都感谢老师的组织，并留言孩子回家的变化。小杰妈妈留言：“一直以来，孩子从没对我说过一声‘我爱你’，今天回来这么对我说，我还很不适应。感谢老师的精心准备。”

5 现场应用

经过多次地面试验的基础上，单胶筒封隔器在元坝27-3H进行了应用，井井深6524m，悬挂器下深4855m，悬挂位置井斜为1°左右，泥浆密度2.08g/cm3，泥浆部分性能，如表1所示。井深结构，如图9所示。井构造属于川东北巴中低缓构造带元坝区块长兴-飞仙关组，井底高温较高（静止温度145℃）并且油气上窜速度快、压力大、井况复杂，为典型的高含硫、高压、高温井，为有效封隔油、气、水层提高产能，采用尾管固井并使用尾管顶部封隔器[7]。

 

表1 泥浆性能数据表Tab.1 The Mud Performance Table

  

密度（g/cm3）粘度（s）初切/终切（Pa）泥饼（mm）滤失（ml/30min）含油（%）PH 2.08 47 9/17 0.5 2.8 3.5 10.5

  

图9 27-3H井身结构Fig.9 The Wellbore Configuration of 27-3H

  

图10 封隔器胀封录井曲线Fig.10 Logging Curve of the Packer

现场固井后进行封隔器坐封，上提钻具至悬重160t不变，继续上提钻具2m，保证坐封挡块离开回接筒并弹出，下压钻具悬重降至145t时悬重表抖动，钻台振动明显，由于所使用封隔器坐封剪钉剪切吨位15t，判断封隔器坐封剪钉剪断，继续下压钻具悬重降至128t时，钻台再次振动，所使用封隔器坐挂剪钉设计剪切吨位30t，判断防退卡瓦完成坐挂，坐封过程录井曲线，如图10所示。后期施工过程中无气窜现象出现，表明单胶筒起到封隔作用。

民国辈出写诗之人，徐志摩便是其中翘楚。他与爱妻陆小曼两人爱得何等浪漫炽烈，从他们的书信集《爱眉小札》中那些甜腻的昵称“曼”“爱眉”“眉眉”，和其中热浪扑面般的甜言蜜语，便可知晓。

6 结论

针对常规压缩式封隔器施工过程中出现的封隔压力低的问题，研制出带防退卡瓦的单胶筒封隔器，并对胶筒结构进行了优化，设计了防突装置，通过试验优选了适合封隔器使用的胶筒，地面试验表明所研制的带防退装置的单胶筒封隔器在温度150℃条件下密封能力达到70MPa，明显高于常规顶部封隔器。在多次地面试验的基础上，成功实现了封隔器在复杂井况下的现场应用。在后续研究将进一步提高封隔器的可靠性、完善现场施工工艺，实现更多现场应用。

参考文献

［1］殷鹏，谷亚妮，蒋鸿.封隔尾管悬挂器的研究与应用［J］.石油地质与工程，2012（S）：124-125.

（Yin Peng，Gu Ya-ni，Jiang Hong.The research and application of the packer liner hanger［J］.Petroleum Geology and Engineering，2012（S）：124-125.）

［2］郭朝辉，马兰荣，杨德锴.尾管顶部封隔器技术现状与发展趋势［J］.石油机械，2011（6）：75-79.

（Guo Zhao-hui，Ma Lan-rong，Yang De-kai.Stern tube at the top of the packer technology present situation and development trend［J］.China Petroleum Machinery，2011（6）：75-79.）

［3］马开华，马兰荣，姜向东.国内特殊尾管悬挂器研制现状与发展趋势［J］.石油钻采工艺，2004，26（4）：16-19.

（Ma Kai-hua，Ma Lan-rong，Jiang Xiang-dong.Domestic special liner hanger development present situation and the development trend［J］.Oil Drilling and Production Technology，2004，26（4）：16-19.）

［4］马兰荣，郭朝辉，姜向东.新型封隔式尾管悬挂器的开发与应用［J］.石油钻探技术，2006，34（5）：54-56.

（Ma Lan-rong，Guo Zhao-hui，Jiang Xiang-dong.The development of new type packer liner hanger and application ［J］.Petroleum Drilling Techniques，2006，34（5）：54-56.）

［5］朱和明，吴晋霞，杨德锴.封隔器锁紧装置关键技术分析［J］.石油矿场机械，2013，42（3）：80-84.

（Zhu He-ming，Wu Jin-xia，Yang De-kai.Packer locking device key technology analysis［J］.Oil Field Equipment，2013，42（3）：80-84.）

［6］吴晋霞，刘智，袁春生.永久封隔器胶筒结构改进与优化［J］.石油机械，2012（2）：33-35.

（Wu Jin-xia，Liu Zhi，Yuan Chun-sheng.Permanent packer rubber tube structure improvement and optimization［J］.China Petroleum Machinery.2012（2）：33-35.）

［7］李真祥，王瑞和，高航献.元坝地区超深探井复杂地层固井难点及对策［J］.石油钻探技术，2010，38（1）：20-25.

（Li Zhen-xiang，Wang Rui-he，Gao Hang-xian.Technical challenges arising from cementing ultra deep wells in Yuanba area［J］.Petroleum Drilling Techniques，2010，38（1）：20-25.）