集束連續管井口懸掛分流裝置的研究與應用

呂維平 劉家煒 孫國玉 付悅 張正 徐鋮洋

集束連續管作為油氣生產管柱，利用自身多通道獨立工作的特點，可以開展兩氣合采生產作業，實現同一口井多儲層高效開采，尤其對儲層物性差異大的地層開發優勢顯著。針對現有常規井口大通徑管柱懸掛配套復雜、適用范圍受限、同時需兼顧導流及密封的問題，采用多瓣式卡瓦懸掛結構，配合專用分流組件，研制了一種基于集束連續管兩氣合采工藝的井口裝置。該裝置具備井口懸掛和分流密封功能，解決了集束連續管2根內管與四通閥旁通中心基準面方向不一致的難題。室內試驗和現場應用結果表明：集束連續管懸掛分流裝置可以完成規定的測試內容，能夠實現集束連續管在井口的懸掛和分流道控制，滿足現場應用的要求。研究結果可為兩氣合采完井提供可行性保證施工的安全性，有助于完善集束連續管兩氣合采工藝的應用和推廣。

集束連續管；井口懸掛；防噴器；分流；兩氣合采

Research and Application of Wellhead Suspension Diversion

Device for Bundling Coiled Tubing

As an oil and gas production string，the bundling coiled tubing，with a characteristic of independent multichannel operation，can be used to enable two-gas commingled production，achieving efficient exploitation of multiple reservoirs in the same well，especially those with significantly different physical properties.Considering that the existing conventional wellhead large-diameter pipe string suspension system is complex in support components and limited for application，and also the need to consider both diversion and sealing，a wellhead device based on the bundling coiled tubing two-gas commingled production technology was developed by adopting a multi-lobe suspension structure and specialized diversion component.With the functions of wellhead suspension and diversion sealing，this device can solve the problem of inconsistent direction between the two inner pipes of the bundling coiled tubing and the reference plane of the four-way valve bypass center.The laboratory test and field application results show that the bundling coiled tubing suspension diversion device can complete the specified testing content，achieve the suspension and subchannel control of the bundling coiled tubing at the wellhead，and meet the requirements of field application.This device provides feasibility for the completion of two-gas commingled production，ensures the safety of operation，and supports the application and promotion of the bundling coiled tubing two-gas commingled production technology.

bundling coiled tubing；wellhead suspension；BOP；diversion；two-gas commingled production

0 引 言

大寧-吉縣區塊煤層氣勘探區，位于鄂爾多斯盆地東緣南段，區塊內煤層氣、煤系地層天然氣多層疊置，不同儲層壓力系數、含水情況存在差異，導致開發周期不同。采用單井無法同時開發多個儲層，因此對各儲層提出分階段差異化的排采要求。集束連續管是將1組小直徑連續管置于1根大直徑連續管內部，通過集合、捆綁成為一個整體的管柱體系。多儲層通過集束連續管與地面輸送和儲存設施相連，具備不同通道互不干涉、獨立作業的優勢，滿足同一口井多儲層分階段排采的需求，同時利用高壓儲層帶動低壓儲層生產實現高效開發。因此，使用集束連續管開展兩氣合采工藝，可以顯著提高油氣生產的效率、減少井口復雜度［1］。

集束連續管作為油氣生產通道，需要考慮外管與兩個內管在井口的懸掛，還需要考慮井口多個通道的分流密封工作。其中砂巖氣產出需要留出環空流動通道，砂巖氣的再次注入以及煤層氣生產也需要準備流道，這是集束連續管完井工藝施工的關鍵步驟之一。

目前國內缺乏有效的懸掛分流配套裝備及工藝方法。為此，筆者分析現有大通徑懸掛井口的局限性，結合兩氣合采工藝需求，研制了一種集束連續管井口懸掛分流裝置。該裝置由井口懸掛組件和井口分流組件組成。井口懸掛組件采用多瓣式卡瓦懸掛設計，滿足集束連續管的尺寸要求且無需額外配套；井口分流組件采用內管固定設計，防止集束連續管入井后上下竄動的風險，通過2個通道的分隔導向實現分流，同時解決2根內管與四通閥旁通中心基準面方向不一致的問題。本文就裝置結構、工作原理、技術參數以及性能特點進行說明，通過室內密封試驗和現場試驗證明工具工藝應用的可行性，可為集束連續管合采工藝進一步推廣奠定基礎。

1 設計要求

1.1 外管懸掛問題

與連續管速度管柱在老井油管內二次完井不同，集束連續管完井是在套管內直接下入集束連續管作為生產通道。為滿足大尺寸工具下入和帶壓作業要求，作業井口必須具備與套管內徑相當的大通徑條件，并配套大通徑的井口防噴器裝置［2-4］。為滿足集束連續管井口大通徑懸掛的要求，分析現有大通徑懸掛器結構特點，存在主要問題如下。

（1）文獻 ［4-5］，在懸掛卡瓦投放方式和結構上進行了改進，避免了使用操作窗投放卡瓦的不便和額外配套費用。但其殼體和環空密封膠筒均采用整體式結構，導致有效內通徑受限，難以滿足集束連續管大尺寸井下工具帶壓封隔作業的要求。

（2）文獻［6-7］，利用原井油管頭配套的專用油管懸掛工具，配合大通徑防噴閘板防噴器實現了較大通徑的井口懸掛。但現場實施時，井口需額外臨時配套使用180 mm公稱內通徑的防噴器，工藝復雜、作業成本高，且工藝過程需要防噴器臨時懸掛，存在安全隱患。

上述大通徑井口懸掛方式普遍存在通徑受限、配套復雜的問題，無法滿足集束連續管作業需求。

1.2 內管分流（兩氣合采工藝）

集束連續管井內管柱和生產通道如圖1所示。其中1、2分別代表集束連續管內管2根通道，3代表集束連續管與套管之間的環空通道。

圖2為不同階段2類儲層投產情況對比示意圖。圖1a和圖2中：A層代表前期產量高、后期衰減較快的儲層；B層代表前期含水產量低、后期穩產周期長的儲層［8-14］。集束連續管兩氣合采在不同生產階段通道狀態如下：

（1）生產啟動階段。油套環空排液時外部氣源通過通道3注入，經氣舉閥進入通道2由井口返出進行氣舉。由于通道3連接油套環空，該階段氣舉方式為反舉。外層連續管與中心連續管環空排液時，外部氣源通過通道1注入，由通道3返出，該階段氣舉方式為正舉。

（2）排采階段。A層通過通道3采出，并通過通道1回注到煤層氣層段，經由通道2返出，該階段氣舉方式為正舉。

（3）分采階段。B層由通道2采出，A層由通道3采出。此時2種地層壓力系數仍有較大差別，地面調壓使兩通道外輸壓力接近后一起外輸。該階段不需氣舉，僅需通過A層和B層儲層各自產出氣攜液排水，相當于速度管柱排水采氣。

（4）合采階段。B層由通道1采出，A層由通道3采出，此時2種地層壓力系數比較接近，雖經由不同通道生產，但不需地面調壓，直接混合后外輸，相當于合層開采。該階段也不需氣舉，與合采階段類似。

（5）間歇氣舉生產階段。B層由通道1采出，A層由通道3采出，兩氣地面自由混合后一起外輸。外部氣源由通道3注入，經由氣舉閥進入通道1連通的管柱，并從通道1返出進行氣舉，該過程氣舉方式為反舉。

為保證上述多儲層同井集束連續管兩氣合采工藝的有效實施，在井口需要一種裝置封隔控制集束連續管各通道氣體流向，以滿足內管與外管導流和密封的要求，同時與井口采氣樹相匹配。

2 技術分析

基于上述設計要求，筆者研制了一種集束連續管井口懸掛分流裝置，以實現集束連續管在井口的大通徑懸掛和內外管的分流作業，包含井口懸掛組件和分流組件等，如圖3所示。圖4為原采氣井與集束連續管完井采氣井口對比。由圖4b可知：井口懸掛組件安裝在井口閥之上，完成管柱的懸掛和環空密封；分流組件安裝在懸掛組件法蘭面之上，對兩根內管進行對接并側向引出，分別作為集束連續管內管進氣口和采氣口。

2.1 結構

2.1.1 井口懸掛組件

集束連續管井口懸掛組件結構如圖5所示。

該懸掛組件殼體為中通式結構，內孔上部為錐形喇叭口形狀，有效內通孔直徑與標準法蘭公稱內通孔尺寸對應，內通徑與井口生產主閥公稱通徑一致。殼體下部為法蘭結構，殼體上部外表面設置與頂蓋下部內表面密封配合和連接的外螺紋，并通過螺紋下部的臺階限位。頂蓋上部同樣為法蘭結構，內通徑與井口生產主閥公稱通徑一致，法蘭頸下部外臺肩為倒“V”形，密封支撐塊同為多瓣式結構，數量與卡瓦相同，其上端面與密封橡膠抵觸。密封支撐塊下端面設置有數量和位置均與密封橡膠軸向通孔對應的沉頭通孔，沉頭通孔深度比支撐螺釘的螺帽多5～10 mm，以防止密封橡膠壓縮時支撐螺釘露出下端面干擾其他零部件。支撐螺釘由下及上穿過沉頭孔及密封橡膠與卡瓦上對應的空洞，將三者固定在一起。

2.1.2 井口分流組件

集束連續管井口多通道分流組件結構如圖6所示。由圖6可見，該組件主要由外接四通、專用連接器上接頭、左偏心接頭、右偏心接頭、緊固螺釘、專用中間連接頭、專用連接器下接頭及集束連續管內管固定器組成。

外接四通包括彼此連通的上接口、下接口、左接口和右接口。上接口和下接口連接形成豎直方向通道，左接口和右接口連接形成水平方向通道。連接頭組件設置在豎直方向通道內，連接頭組件的上端位于豎直方向通道和水平方向通道的交匯處，連接頭組件的上端與豎直方向通道之間具有連接上接口和下接口的連接通道；連接頭組件的下端與集束連續管組件連接，連接頭組件設置彼此獨立的第一連接器通道和第二連接器通道。第一連接器通道與集束連續管組件的第一集束通道連通，第二連接器通道與集束連續管組件的第二集束通道連通。左接頭可拆卸，設置在連接頭組件上端側壁并位于左接口處。且設置有第一水平通道，第一水平通道與第一連接器通道連接；右接頭可拆卸，設置在連接頭組件上端側壁并位于右接口處，且設置有第二水平通道，第二水平通道與第二連接器通道連接。

為了防止內管入井后上下竄動，在井口位置設計有集束連續管內管固定裝置，以外管為依托通過專用的輔助工具對內管進行造坑，采用螺釘式連接方法將內管固定。由于集束連續管2根內管與四通閥旁通中心基準面方向不一致，為解決內管施工過程中可能存在基準面旋轉而影響導流設置的問題，設計專用中間連接頭安裝在上下接頭之間。通過緊固螺釘與集束連續管連接器下接頭連接，而與專用連接器上接頭不固定連接，其配合面通過留有空隙來保證專用連接器上接頭能夠360°旋轉。當安裝左右偏心接頭時，通過設計的工裝旋轉連接器上接頭，保證緊固螺釘螺紋孔位與連接器上接頭螺紋孔位一致，即實現內管基準面無論處于何種狀態均可以通過調整上接頭方向與四通閥旁通基準面保持一致。集束連續管井口多通道分流組件，所有與內管連接的部位均需采用密封墊圈實現密封。

2.2 工作原理

集束連續管井口懸掛分流裝置應用于集束連續管完井作業過程中，由井口懸掛組件來實現外管的懸掛;井口分流組件進行不同儲層生產分流和內管的固定。

作業時，將連續管下入到設計深度后，啟動安裝在井口主閥上的大通徑連續管懸掛組件，轉動鎖緊螺桿將卡瓦調整至頂蓋內腔最下部，卡瓦板牙咬住連續管外壁，下方連續管將管重逐漸轉移到卡瓦上，并懸掛住連續管。同時，多瓣式密封支撐塊也相互貼合形成支撐底座，依靠連續管的重力進一步壓縮密封橡膠使之徑向膨脹，以密封連續管與密封橡膠以下的井口環空。剪管并移除連續管井口作業設備后，在井口懸掛組件上安裝集束連續管分流組件，井口分流組件位于四通中心位置。將集束連續管的3個通道分流到四通的3個通道中，具體分流過程為：集束連續管穿過并固定在連接器下接頭中，第一集束通道與第一連接器通道的下端連接，第二集束通道與第二連接器通道的下端連接，將集束連續管內管分別分流至分流組件第一水平通道和第二水平通道。集束連續管外管外徑小于與下接口所對應的管壁的內徑，集束連續管外管與下接口所對應的管壁之間形成環空，該環空與第一連接器通道和第二連接器通道均不連通，即上接口可以通過連接通道實現環空氣體的采集，而不影響下游氣體采集操作。

2.3 主要技術參數

垂直通徑：130 mm；

適合連續管規：60.325 mm；

額定工作壓力：70 MPa；

額定懸掛載荷：320 kN；

產品等級：API6A EE-PSL3G-PRⅠ；

工作溫度：-46～+82 ℃。

2.4 性能特點

（1）可精確控制卡瓦、密封橡膠和密封支撐塊組合體的張開與抱合，實現卡瓦提前預置在大通徑連續管懸掛組件內部。避免額外配套操作窗才能投放卡瓦，可實現對連續管的多次重復懸掛和密封，增強了對作業時或懸掛后因意外情況需要帶壓上提連續管時的適應性和便捷性。

（2）解決了要求常規整體式密封膠筒內徑必須與連續管外徑一致的工具通過性問題，且利用連續管重力來壓緊多瓣式密封橡膠相互貼合，以密封連續管與井口環空，實現高壓下有效密封。

（3）實現集束連續管3個通道的分流，結構簡單、操作便捷，保證裝置的密封性能，各通道氣體不會相互滲透。

（4）采用可旋轉的中間接頭，能夠相對于連接器上接頭轉動，可以根據不同工況調整中間連接頭的角度，使整個采氣樹及管匯處于最優安裝位置。

3 試驗研究

3.1 室內試驗

現場試驗前，分別開展懸掛組件氣密封試驗和分流組件密封試驗，以驗證集束連續管懸掛分流裝置的密封可靠性，保證安全施工作業。

3.1.1 試驗方法

對懸掛組件本體及膠筒進行密封性試驗，試驗根據API Spec 6A要求進行。

利用氣密性試驗機對分流組件的2個通道開展氣密性試驗，以驗證分流組件對各通道隔絕密封的能力。試驗示意圖如圖7所示。

具體試驗過程為：

（1）取集束連續管分流組件進行裝配。

（2）試驗前將分流組件一端安裝密封塞，對通道進行密封固定。

（3）采用手動液壓泵對2個通道同時進行試驗，分別按15、30、45和60 MPa這4個梯度加壓，每個梯度穩壓10 min，觀察并記錄壓力變化情況，同時記錄是否泄漏。

（4）試驗結束，卸壓后拆卸工裝，設備歸位。

3.1.2 結果及分析

懸掛組件氣密封試驗過程中均無氣泡產生。試壓曲線如圖8和圖9所示。

分流組件試驗全程未出現泄漏現象。2個通道氣密性試驗曲線如圖10所示。

由圖8～圖10可知，規定時間內懸掛組件壓降均在2 MPa以內，分流組件2個通道的不同梯度穩壓階段壓降均小于1 MPa，表明集束連續管懸掛分流裝置具有優良的密封性能，符合現場施工要求。

3.2 現場試驗

2020年在大吉5-1向6井場，針對煤層氣與煤系地層天然氣綜合開發排水采氣工藝研究，以8#煤為目的層，利用封隔器將致密氣盒7、山21分層，形成了集束連續管兩氣合采工藝方案。按照方案，對該井實施60.3 mm集束連續管兩氣合采完井作業。

應用過程中，集束連續管懸掛組件完成了集束連續管井口的懸掛以及密封，分流組件實現了對氣體的導流，保障了作業的順利進行。后期儲層排通至平穩生產，驗證了兩氣合采完井采氣技術的可行性和高效性，具有廣泛的推廣應用前景。

4 結 論

（1）設計了適用于集束連續管兩氣合采的井口懸掛分流裝置，該裝置具備井口懸掛和分流密封功能。井口懸掛組件采用大通徑多瓣式卡瓦和預置懸掛密封組合體結構，現場施工時無需額外配套大通徑專用防噴器和操作窗等井口裝置，顯著降低施工費用。

（2）井口分流組件通過2個通道的分隔實現2種氣體的分流，避免了集束連續管入井后上下竄動的風險，解決了集束連續管2根內管與四通閥旁通中心基準面方向不一致的難題。

（3）開展了懸掛組件本體和懸掛組件膠筒的密封性試驗，以及分流組件的氣密封試驗。試驗結果表明，各裝置密封性能良好，符合現場施工要求。

（4）現場應用情況表明，集束連續管井口懸掛分流裝置保障了集束連續管完井以及兩氣合采工藝的順利實施，滿足現場應用要求，為集束連續管兩氣合采工藝技術推廣奠定了基礎。［1］ ?呂維平，郭智棟，唐純潔，等．集束連續管分流連接器的研制與應用［J］．石油機械，2020，48（12）：95-100．

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