高性能锚定封隔器的研制与应用
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2018年第46卷第4期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY—65 —◄油气田开发工程►高性能锚定封隔器的研制与应用薛占峰1韩峰1袁大勇2(1.中国石化石油工程技术研究院2.德州大陆架石油工程技术有限公司）摘要：针对常规压裂用双向锚定封隔器存在的环空封隔压力低、悬挂性能差以及下入安全性 低等问题，研制了高性能锚定封隔器。
该封隔器采用三肢筒交叉结构配合防突环，坐封后形成密 闭空间，提高了肢筒的封压性能，防突环与保护锥套采用一体化结构设计，可防止肢筒下入过程 提前坐封。
优化了锚定结构，改变传统采用铸铁卡瓦的结构形式，釆用铸铁配合合金钢卡瓦的方 式，提高了悬挂器的锚定性能，防止悬挂器下入过程中因卡瓦破裂导致的提前坐挂。
室内试验中，该封隔器具有良好的封压和锚定性能，封压达80 M P a,耐温达160丈。
高性能锚定封隔器应用效 果良好，具有较高的推广应用价值。
关键词：双向锚定；耐高压；封隔器；分段压裂中图分类号：TE925 文献标识码：A doi: 10.16082/ki.issn. 1001-4578.2018.04.012Development and Application of High Performance Anchoring PackerXue Zhanfeng1Han Feng1Yuan Dayong2(1. Sinopec Research Institute o f Petroleum Engineering；2. Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co., Ltd.)Abstract：To address the problems of low pressure difference capacity in annulus, poor hanging performance and low safety of the conventional bidirectional anchoring packers for fracturing operation, a high-performance anchoring packer was developed. The packer was designed with a crossed three-rubber structure combined with an anti-burst ring to form a sealed space after being set, which improves the sealing performance. The integrated structure design of the anti-burst ring and the protection taper sleeve prevents the packer from premature setting. The anchoring structure was optimized by using cast iron combined with alloy steel slips instead of the traditional cast iron slips, so as to improve the anchoring performance of the hangers and prevent the premature setting caused by the broken slips during packer running. Indoor tests and field applications showed that the packer has good sealing and anchoring properties, with the sealing pressure capacity of 80 MPa and temperature capacity of 160 T l, presenting good application performance and good promotion and application value.Keywords：bidirectional anchoring；high pressure capacity；packer；multistage fracturing0引言随着页岩气等低渗油气藏的开发，双向锚定封 隔器作为关键工具被广泛应用，主要用于管串的送 入、尾管的双向锚定及环空高压封隔。
受施工工艺 的限制，通常采用液压式封隔器，通过管内加压液 缸挤压卡瓦及胶筒完成坐封坐挂，常规双向锚定封隔器采用单胶筒结构设计，卡瓦推动胶筒坐封，胶 筒坐封过程中卡瓦提前破裂会降低液缸对胶筒的坐 封力。
由于套管内壁容易有固相等残留，胶筒封压 效果较差。
除此之外，卡瓦为铸铁整体卡瓦，由于 卡瓦材料限制，管串下入反复磕碰井壁容易引起卡 瓦破裂提前坐挂，同时卡瓦在髙压重载情况下容易 因牙齿断裂和严重磨损等引起卡瓦失效，因此该封 隔器封隔压差矣50 M P a,对于特殊髙压井（压力*基金项目：国家科技重大专项“彭水地区常压页岩气勘探开发示范工程”（2016ZX 05061)的部分研究成果。
—66 —石油机械2018年第46卷第4期彡70 MPa)，无法满足使用要求[1_7]。
为解决上述问题，笔者通过改进结构研制出高 性能锚定封隔器。
该封隔器采用三胶筒特殊结构配 合防突环，胶筒除有防突环防护外，三胶筒之间相 互保护，且胶筒密封面较长，可有效提髙封隔器对 套管内复杂情况的适应能力；锚定机构采用铸铁卡 瓦配合合金卡瓦的形式，对于承受重载的下卡瓦采 用合金材质，采用渗碳热处理工艺提高卡瓦的锚定 性能；同时改进卡瓦结构，卡瓦配合卡瓦套，提高 液缸对胶筒的坐封力，从而整体提升封隔器的封隔 及锚定性能。
1技术分析1.1结构髙性能锚定封隔器结构如图1所示。
液缸与常 规结构相同，锚定机构仍采用上、下整体卡瓦形 式，卡瓦材质优化为合金材质，下卡瓦增加防提前 坐挂机构。
对于封压部分，胶筒由常规的单胶筒改 进为三胶筒结构，对于胶筒两侧防突环进行固定保 护，防止胶筒挤压提前坐封[8_9]。
4 5 6/丨_麵「丨，____________________________________________________11一上卡瓦；2—锥套；3—胶筒；4一下卡瓦；5 —保护套;6—锁紧套;7—液缸；8—下接头。
图1高性能锚定封隔器Fig. 1 High performance anchoring packer1.2工作原理双向锚定封隔器通常用于尾管或者回接管柱的 双向锚定与环空封隔，对于尾管，封隔器配合球座 使用，采用送入工具将锚定封隔器及尾管送入至预 定位置，投入憋压球管内憋压，剪断封隔器启动剪 钉，液缸推动下卡瓦挤压胶筒，胶筒挤压上卡瓦。
首先上卡瓦破裂爬行至锥套上完成上卡瓦坐挂，继 续憋压挤压胶筒，完成坐封，最后完成下卡瓦坐 挂，从而同一套工具实现尾管的双向锚定与环空封 隔。
对于回接管串，双向锚定封隔器会配合可提出 球座使用，封隔器坐封原理与尾管悬挂相同，坐封 后起出管串，再次下入回接插头进行锁定。
1.3锚定技术常规双向锚定封隔器采用铸铁整体卡瓦，上、下卡瓦结构相同，铣数条槽，卡瓦由槽处破裂后坐 挂，卡瓦无保护，容易因管串入井磕碰井壁而导致 卡瓦提前破裂。
该封隔器在华北地区出现多井次提前坐挂的情况，如LP14井和HH74P9井等。
提前 坐挂后只能采用专用磨鞋将上部卡瓦磨掉后起出管 串，如此则大幅增加完井成本。
针对常规封隔器锚定结构进行改进，改进后的 错定结构如图2所示。
采用合金卡瓦（见图3)提 高卡瓦的悬挂能力，防止下入过程因磕碰井壁提前 破裂；同时，增加卡瓦防提前坐挂机构，卡瓦中间 增加支撑套，下卡瓦下部增加锁紧套，初始状态锁 紧套与支撑套靠剪钉固定。
坐封过程中，液缸推动 支撑套挤压胶筒坐封，此时下卡瓦不承受坐封力，胶筒完全坐封后，卡瓦与支撑套之间的固定剪钉剪 断，液缸直接作用于卡瓦，下卡瓦坐挂。
在入井过 程中，如果卡瓦处因固相堆积而导致遇阻，由于锁 紧套的保护作用，卡瓦不会提前坐挂。
1一卡瓦；2—支撑套；3—剪钉；4 一锁紧套图2锚定机构Fig. 2 Anchoring mechanism图3合金卡瓦Fig. 3 Alloy slip1.4封压技术常规封隔器采用单胶筒结构，长度较短，在复 杂井中容易出现封压失效问题。
以华北大牛地地区 为例，该地区多采用多级滑套分段压裂工艺进行完 井，双向锚定封隔器为关键工具，在下入完井管串 之后需要进行环空验封，验封压25 MPa，由于套 管变形和泥饼沉积等问题，经常出现环空无法有效封压的情况。
针对该种问题，笔者优化了三胶筒结2018年第46卷第4期薛占峰等：高性能锚定封隔器的研制与应用—67 —200 400 600 800 1 000 1 200 1400 1 600时间/s图5卡瓦悬挂能力测试曲线Fig. 5 Slip hanging test curve2.2胶筒封压能力测试为了验证胶筒耐高压、高温性能，采用胶筒部 分进行封压性能测试。
试验装置主要包括封压机 构、防退机构、上封头和下封头，采用液压坐封， 由上、下封头分别进行双向检测，分别检测胶筒上、 下承压能力。
胶筒外径为148 mm ，试验套管内径为159mm ，套管壁厚9.4 mm 〇为模拟现场高温环境，将工具放入加热装置中，加热至120 1，并分别按35—>50—^70—^80MPa 逐级进彳了承压测试，分别稳压 30 min ，之后泄压逐级加热至140〜160 t ，并分另丨J进行承压测试，均可稳定承压。
封隔器封压性能曲 线见图6。
拆卸试验装置后发现，胶筒紧贴套管内 壁，除防突环割缝处出现部分损坏外，整体完好。
0 500 1000 1500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000时间/s图6封隔器封压性能曲线Fig. 6 Packer sealing performance curve2.3整机性能测试试制的髙性能锚定封隔器规格为0177. 8 m m x 0114. 3mm ，最大外径为152 m m 。
试验套管内径为159 m m 。
设计的试验装置本体及试验套管上、 下各有1个封头，本体封头用于封隔器坐封，上、 下封头用于封隔器环空上、下试压，整机在套管内体对封隔器的反复冲击，对卡瓦进行冲击性能测 试，反复加载至900 kN并卸载，卡瓦无滑移。
