煤层气分段压裂压缩式裸眼封隔器技术与应用

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛266580 中石化石油工程技术研究院，北京100101 德州大陆架石油工程技术有限公司，山东德州253005)

中国是世界上煤层气资源储量比较丰富的国家之一，特别是在山西晋城地区，煤层气早期开发技术，多借鉴常规油气井的压裂开发工艺，初步形成了直井分层压裂、水平井分段压裂、重复压裂等多项开发工艺。在当今能源供求矛盾日趋严重的新形势下，为改变单井产能较低的现状，扩大单井泄压面积，多采用连续油管拖动压裂、分簇射孔、使用复合桥塞压裂技术[1～3]。在增大单井经济效益的同时，最大限度地降低单井完井工艺设备成本、简化完井作业工序等新问题日益突出。水平井压缩式裸眼封隔器分段压裂技术，是一项先进的新型完井技术[4～6]。裸眼封隔器的性能好坏，对完井压裂作业流程的成败，直接起到了决定性的作用[7～9]。国外Baker Hughes、Halliburton等公司均开发了配套封隔器技术，达到了生产封隔器整体性能的更高要求[10～12]，但结构设计复杂，不适用于煤层气开发应用。国内对裸眼封隔器的研究主要集中在扩张式裸眼封隔器方面，工具设计整体结构较长，容易发生工具下入困难等问题，对压缩式裸眼封隔器的研究还处于起步阶段。为此，笔者针对煤层气井压裂管柱设计特点，开展了适用于煤层气井水平压裂的∅140mm压缩式裸眼封隔器的研制，优化了防突机构和锁紧机构，进行了环空高压密封试验。在完成地面性能试验的基础上，在山西晋城地区煤层气井进行了现场入井试验，封隔效果良好。

1 ∅140mm压缩式裸眼封隔器

∅140mm压缩式裸眼封隔器主要由刚性本体、卡簧、液缸、整体式胶筒、内支撑环、防突环、挡环、挡块等单元组成，如图1所示。为提高裸眼封隔器的高效封隔能力，缩小工具外径，采用整体式胶筒密封结构；将液缸和优选的锁紧机构采取一体化结构设计，配合端面防突功能，增强工具入井的可靠性；优化液缸内外径结构设计，实现封隔器设计单元紧凑，提高工具入井的适应性。

1.1 工作原理

裸眼封隔器随完井管柱下至设计井深位置，压裂过程中通过憋压，压力通过传压孔传入液缸，在液压作用下驱动裸眼封隔器坐封。当压力升至液缸剪钉设计数值时，剪断剪钉，推动液缸发生轴向移动，同时压缩整体式胶筒，迫使胶筒发生径向扩张，填充环空间隙，胶筒贴紧裸眼井壁后发生挤压，产生接触应力，从而实现封堵封隔器与裸眼井壁之间环空的功能。在液缸发生轴向移动时，同步带动锁紧机构移动，在防退卡簧装置的作用下不产生回退，从而保证了裸眼封隔器密封效果的可靠性和封隔环空的长久性。

图1 ∅140mm压缩式裸眼封隔器

1.2 技术特点

1)防退锁紧机构。由防退卡簧套和防退卡簧2部分组成。相比常规的防退锁紧机构，优选的双面螺纹卡簧结构，在内外表面分别设计有不同螺距、不同大小的倒齿螺纹，防退卡簧套与液缸设计为一体式，内表面螺纹与本体上的锯齿螺纹锁紧实现防退，外表面螺纹则是通过卡簧套施加到螺纹锥面的作用力产生对卡簧的径向抱紧力，提高防退效果。该结构设计紧凑，安装方便，在卡簧套上设计剪钉孔，将卡簧套与封隔器本体固定在一起，防止封隔器在下入过程中受井壁的刮擦而提前坐封。该结构的优点是坐封后回弹距离较小，且卡簧及本体受力均匀，防退承载能力更强。

2)整体式胶筒防突机构。包括整体式胶筒、三套防突环和内支撑环。3个防突环组合，可有效支撑胶筒，防止胶筒膨胀过程中出现肩部突出，影响密封效果。防突环Ⅲ装于胶筒两侧，在封隔过程中起到支撑保护胶筒作用；防突环Ⅰ和防突环Ⅱ设计为C形结构，且开口处成180°对置，采用凹凸槽平面配合，在胶筒膨胀的过程中，为保护胶筒提供轴向支撑与限位作用，阻止胶筒受轴向载荷作用下朝套管与井壁的环形间隙内“流动”，迫使胶筒呈均匀压缩状态处在一个密闭空间内，从而达到提高与井壁保持较高接触应力的目的。这种结构的优点是起到了扩大封隔支撑面的作用，保护胶筒免受油、气侵蚀，从而延长封隔胶筒的使用寿命。

3)设计技术参数。设计技术参数如表1所示。

表1 设计技术参数

2 性能分析

2.1 双面螺纹锁紧机构有限元分析

图2 锁紧机构有限元模型及受力云图

封隔器在承受环空高压时，作用在密封元件上的力会传递到锁紧机构上。通过对锁紧机构建立有限元模型(见图2(a))进行分析，在本体、卡簧、卡簧套所涉及的弹性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3、屈服强度σs=758MPa的参数下，在卡簧套下表面施加70MPa的轴向载荷后，应力数值分别为：本体应力最大值168.3MPa，卡簧应力最大值406.7MPa，卡簧套应力最大值286.7MPa，计算分析安全系数都大于1.5，结构强度，满足要求。双面螺纹锁紧机构整体应力均匀，没有应力集中，且各零部件最大Mises应力较小，双面螺纹锁紧机构具有明显的优势(见图2(b))。

2.2 整体式胶筒防突试验分析

将封隔器胶筒放置在有轴向支持的模拟井眼内，如图3所示。通过液压方式对封隔胶筒进行压缩坐封，压缩后的胶筒在锁紧机构的作用下位置锁定，有效防止胶筒后退，保持胶筒压缩状态，无松弛现象，维持胶筒与井壁的高接触应力状态，在实现环空高压封隔的情况下，检验防突机构性能。

1)组装∅140mm裸眼封隔器，胶筒末端未安装防突环，将封隔器装入模拟井眼内径为∅216mm试验装置，放入90℃的水浴加热装置中，分别正向反向打压至11、21、30、40、50、61、71MPa，各稳压5min。未安装防突环的封隔器胶筒末端出现了以压碎和撕裂为主的破坏。

图3 整体试验装置

图4 试验后的胶筒

2)重新组装∅140mm裸眼封隔器，胶筒末端安装防突环，采取第1次试验的方式，分别正向反向打压至21、35、50、65、70MPa，各稳压5～8min。安装防突环的封隔器胶筒无破损，防突环均匀胀开，未出现整体式胶筒破损的现象，如图4所示。

2.3 裸眼封隔器高温高压性能试验

将裸眼封隔器装入设计内径为216mm井眼的套管内，进行密封能力和胶筒承压能力试验。把试验工具放入150、155、170℃的油浴加热装置中，如图5、图6、图7所示。分别加热2h，将封隔器连接电动试压泵，打压至20MPa剪钉剪断，之后分别环空正向打压30、40、50、60、70MPa，均稳压5min无压降。试验结束后，测量封隔器本体无变形，整体式胶筒膨胀均匀无破损。

图5 封隔器试验装置

图6 不同加热温度

图7 170℃条件下封隔器环空试压情况

使用同样的试样方法，把裸眼封隔器装入内径为∅226mm(井径扩大率5%)和∅237mm(井径扩大率10%)模拟井眼进行胶筒封隔试验，观察封隔器变化。重新试制满足∅171.5mm井眼的最大外径为165mm，最小内径为121mm的改进型压缩式裸眼封隔器，按照同样的试验方法，对封隔器的胶筒密封能力进行了地面测试。试验结果表明，研发的压缩式裸眼封隔器在内径为∅216mm的模拟井眼内的封隔能力达到70MPa以上，在5%井径扩大率井眼内封隔能力达到70MPa，在10%井径扩大率井眼内封隔能力达到50MPa，在∅171.5mm模拟井眼内封隔能力达70MPa。工具整体结构设计合理，装配方便，卡簧防退效果良好，防突机构设计合理，完全满足煤层气井压裂封隔技术要求。

3 现场应用

以山西晋城沁水盆地上的一口煤层气对接井为例。该地区煤层硬度高、瓦斯含量高等[13]。该井设计为三开制井身结构，完钻井深1444.5m，井眼设计为水平井，水平位移1147m，最大井斜97.2°，全井在500～540m，600～610m，650～660m，990～1000m，1280～1290m井段存在狗腿度较大的问题，最大狗腿度11.71°/30m。一开采用∅381mm钻头钻至35m，下∅273mm套管固井；二开采用∅241.3mm钻头钻至513m，下∅193.7mm技术套管494m完成固井；三开采用∅171.5mm钻头钻至1444.5m，计划下入∅139.7mm套管采取“回接压裂+悬挂封隔+压缩式裸眼封隔器+压差滑套”分段压裂工艺完井，压裂区间1044m。压裂管柱结构如图8所示。

图8 压裂管柱结构图

3.1 施工工艺

1)预置完井管柱。根据该井水平段的长度及地质状况，设计压裂段数为5级，设计预置管柱并进行地面检查编号，分段压裂完井工具性能参数及入井数量详见表2。

2)现场施工。组织适应∅193.7mm套管的刮壁器，对距离二开套管鞋30m以上套管进行刮壁处理；使用单螺旋扶正器模拟管串结构：∅171.5mm牙轮钻头+双母+∅88.9mm斜坡钻杆1根+∅168mm螺旋扶正器1个+∅88.9mm斜坡钻杆+加重钻杆+钻杆，通井至井底；在做好井筒准备工作、检查所有设备确认完好后，按照预制管柱设计进行下完井压裂管柱作业；管柱下至预定位置后，对管柱进行称重；完成悬挂器封隔器坐挂，环空试压检测密封性，泄压打开闸板防喷器，完成丢手操作；下入回接压裂管柱，调整方余，为压裂施工做好准备。

表2 改造完井工具数量及技术参数

3.2 压裂情况

该井压裂施工前期，通井及投球滑套和压缩式裸眼封隔器等工具管串下入正常，悬挂封隔器坐挂、丢手、环空密封试验均很正常，回接压裂管柱插入正常。压裂过程中，压差式滑套和投球式滑套均按照设计值正常打开，期间出现的偏高施工压力证明了压缩式裸眼封隔器具备良好的封隔性能，施工压力正常趋势明显，无窜层等异常现象发生。

目前规格为∅140mm高性能压缩式裸眼封隔器先后在煤层气成功应用4口井，共计完成压裂20段次，累计应用该型号封隔器40余套。在压裂过程中瞬时最高压力35MPa，压裂期间无泄漏现象，保证了压裂施工的顺利进行，表明该压缩式裸眼封隔器技术安全可靠，施工工艺设计合理，满足现场需求。

4 结论

1)研发的高性能压缩式裸眼封隔器，通过应力分析，锁紧机构强度足够，地面试验防突效果理想，验证了工具结构设计的合理性，满足压裂密封要求。

2)通过在不同井径扩大率井眼中的高温高压分层封隔模拟试验，验证了压缩式裸眼封隔器在不同井径条件下同样具有良好的封隔、密封能力。

3)现场通过大狗腿度、长水平段、窄间隙等复杂井况的应用，表明压缩式裸眼封隔器具备良好的通过性和适应性，层段压裂成功率100%，工具施工安全可靠，满足了复杂井况作业需求。