集束连续管井口悬挂分流装置的研究与应用

吕维平 刘家炜 孙国玉 付悦 张正 徐铖洋

集束连续管作为油气生产管柱，利用自身多通道独立工作的特点，可以开展两气合采生产作业，实现同一口井多储层高效开采，尤其对储层物性差异大的地层开发优势显著。针对现有常规井口大通径管柱悬挂配套复杂、适用范围受限、同时需兼顾导流及密封的问题，采用多瓣式卡瓦悬挂结构，配合专用分流组件，研制了一种基于集束连续管两气合采工艺的井口装置。该装置具备井口悬挂和分流密封功能，解决了集束连续管2根内管与四通阀旁通中心基准面方向不一致的难题。室内试验和现场应用结果表明：集束连续管悬挂分流装置可以完成规定的测试内容，能够实现集束连续管在井口的悬挂和分流道控制，满足现场应用的要求。研究结果可为两气合采完井提供可行性保证施工的安全性，有助于完善集束连续管两气合采工艺的应用和推广。

集束连续管；井口悬挂；防喷器；分流；两气合采

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-吉县区块煤层气勘探区，位于鄂尔多斯盆地东缘南段，区块内煤层气、煤系地层天然气多层叠置，不同储层压力系数、含水情况存在差异，导致开发周期不同。采用单井无法同时开发多个储层，因此对各储层提出分阶段差异化的排采要求。集束连续管是将1组小直径连续管置于1根大直径连续管内部，通过集合、捆绑成为一个整体的管柱体系。多储层通过集束连续管与地面输送和储存设施相连，具备不同通道互不干涉、独立作业的优势，满足同一口井多储层分阶段排采的需求，同时利用高压储层带动低压储层生产实现高效开发。因此，使用集束连续管开展两气合采工艺，可以显著提高油气生产的效率、减少井口复杂度［1］。

集束连续管作为油气生产通道，需要考虑外管与两个内管在井口的悬挂，还需要考虑井口多个通道的分流密封工作。其中砂岩气产出需要留出环空流动通道，砂岩气的再次注入以及煤层气生产也需要准备流道，这是集束连续管完井工艺施工的关键步骤之一。

目前国内缺乏有效的悬挂分流配套装备及工艺方法。为此，笔者分析现有大通径悬挂井口的局限性，结合两气合采工艺需求，研制了一种集束连续管井口悬挂分流装置。该装置由井口悬挂组件和井口分流组件组成。井口悬挂组件采用多瓣式卡瓦悬挂设计，满足集束连续管的尺寸要求且无需额外配套；井口分流组件采用内管固定设计，防止集束连续管入井后上下窜动的风险，通过2个通道的分隔导向实现分流，同时解决2根内管与四通阀旁通中心基准面方向不一致的问题。本文就装置结构、工作原理、技术参数以及性能特点进行说明，通过室内密封试验和现场试验证明工具工艺应用的可行性，可为集束连续管合采工艺进一步推广奠定基础。

1 设计要求

1.1 外管悬挂问题

与连续管速度管柱在老井油管内二次完井不同，集束连续管完井是在套管内直接下入集束连续管作为生产通道。为满足大尺寸工具下入和带压作业要求，作业井口必须具备与套管内径相当的大通径条件，并配套大通径的井口防喷器装置［2-4］。为满足集束连续管井口大通径悬挂的要求，分析现有大通径悬挂器结构特点，存在主要问题如下。

（1）文献 ［4-5］，在悬挂卡瓦投放方式和结构上进行了改进，避免了使用操作窗投放卡瓦的不便和额外配套费用。但其壳体和环空密封胶筒均采用整体式结构，导致有效内通径受限，难以满足集束连续管大尺寸井下工具带压封隔作业的要求。

（2）文献［6-7］，利用原井油管头配套的专用油管悬挂工具，配合大通径防喷闸板防喷器实现了较大通径的井口悬挂。但现场实施时，井口需额外临时配套使用180 mm公称内通径的防喷器，工艺复杂、作业成本高，且工艺过程需要防喷器临时悬挂，存在安全隐患。

上述大通径井口悬挂方式普遍存在通径受限、配套复杂的问题，无法满足集束连续管作业需求。

1.2 内管分流（两气合采工艺）

集束连续管井内管柱和生产通道如图1所示。其中1、2分别代表集束连续管内管2根通道，3代表集束连续管与套管之间的环空通道。

图2为不同阶段2类储层投产情况对比示意图。图1a和图2中：A层代表前期产量高、后期衰减较快的储层；B层代表前期含水产量低、后期稳产周期长的储层［8-14］。集束连续管两气合采在不同生产阶段通道状态如下：

（1）生产启动阶段。油套环空排液时外部气源通过通道3注入，经气举阀进入通道2由井口返出进行气举。由于通道3连接油套环空，该阶段气举方式为反举。外层连续管与中心连续管环空排液时，外部气源通过通道1注入，由通道3返出，该阶段气举方式为正举。

（2）排采阶段。A层通过通道3采出，并通过通道1回注到煤层气层段，经由通道2返出，该阶段气举方式为正举。

（3）分采阶段。B层由通道2采出，A层由通道3采出。此时2种地层压力系数仍有较大差别，地面调压使两通道外输压力接近后一起外输。该阶段不需气举，仅需通过A层和B层储层各自产出气携液排水，相当于速度管柱排水采气。

（4）合采阶段。B层由通道1采出，A层由通道3采出，此时2种地层压力系数比较接近，虽经由不同通道生产，但不需地面调压，直接混合后外输，相当于合层开采。该阶段也不需气举，与合采阶段类似。

（5）间歇气举生产阶段。B层由通道1采出，A层由通道3采出，两气地面自由混合后一起外输。外部气源由通道3注入，经由气举阀进入通道1连通的管柱，并从通道1返出进行气举，该过程气举方式为反举。

为保证上述多储层同井集束连续管两气合采工艺的有效实施，在井口需要一种装置封隔控制集束连续管各通道气体流向，以滿足内管与外管导流和密封的要求，同时与井口采气树相匹配。

2 技术分析

基于上述设计要求，笔者研制了一种集束连续管井口悬挂分流装置，以实现集束连续管在井口的大通径悬挂和内外管的分流作业，包含井口悬挂组件和分流组件等，如图3所示。图4为原采气井与集束连续管完井采气井口对比。由图4b可知：井口悬挂组件安装在井口阀之上，完成管柱的悬挂和环空密封；分流组件安装在悬挂组件法兰面之上，对两根内管进行对接并侧向引出，分别作为集束连续管内管进气口和采气口。

2.1 结构

2.1.1 井口悬挂组件

集束连续管井口悬挂组件结构如图5所示。

该悬挂组件壳体为中通式结构，内孔上部为锥形喇叭口形状，有效内通孔直径与标准法兰公称内通孔尺寸对应，内通径与井口生产主阀公称通径一致。壳体下部为法兰结构，壳体上部外表面设置与顶盖下部内表面密封配合和连接的外螺纹，并通过螺纹下部的台阶限位。顶盖上部同样为法兰结构，内通径与井口生产主阀公称通径一致，法兰颈下部外台肩为倒“V”形，密封支撑块同为多瓣式结构，数量与卡瓦相同，其上端面与密封橡胶抵触。密封支撑块下端面设置有数量和位置均与密封橡胶轴向通孔对应的沉头通孔，沉头通孔深度比支撑螺钉的螺帽多5～10 mm，以防止密封橡胶压缩时支撑螺钉露出下端面干扰其他零部件。支撑螺钉由下及上穿过沉头孔及密封橡胶与卡瓦上对应的空洞，将三者固定在一起。

2.1.2 井口分流组件

集束连续管井口多通道分流组件结构如图6所示。由图6可见，该组件主要由外接四通、专用连接器上接头、左偏心接头、右偏心接头、紧固螺钉、专用中间连接头、专用连接器下接头及集束连续管内管固定器组成。

外接四通包括彼此连通的上接口、下接口、左接口和右接口。上接口和下接口连接形成竖直方向通道，左接口和右接口连接形成水平方向通道。连接头组件设置在竖直方向通道内，连接头组件的上端位于竖直方向通道和水平方向通道的交汇处，连接头组件的上端与竖直方向通道之间具有连接上接口和下接口的连接通道；连接头组件的下端与集束连续管组件连接，连接头组件设置彼此独立的第一连接器通道和第二连接器通道。第一连接器通道与集束连续管组件的第一集束通道连通，第二连接器通道与集束连续管组件的第二集束通道连通。左接头可拆卸，设置在连接头组件上端侧壁并位于左接口处。且设置有第一水平通道，第一水平通道与第一连接器通道连接；右接头可拆卸，设置在连接头组件上端侧壁并位于右接口处，且设置有第二水平通道，第二水平通道与第二连接器通道连接。

为了防止内管入井后上下窜动，在井口位置设计有集束连续管内管固定装置，以外管为依托通过专用的辅助工具对内管进行造坑，采用螺钉式连接方法将内管固定。由于集束连续管2根内管与四通阀旁通中心基准面方向不一致，为解决内管施工过程中可能存在基准面旋转而影响导流设置的问题，设计专用中间连接头安装在上下接头之间。通过紧固螺钉与集束连续管连接器下接头连接，而与专用连接器上接头不固定连接，其配合面通过留有空隙来保证专用连接器上接头能够360°旋转。当安装左右偏心接头时，通过设计的工装旋转连接器上接头，保证紧固螺钉螺纹孔位与连接器上接头螺纹孔位一致，即实现内管基准面无论处于何种状态均可以通过调整上接头方向与四通阀旁通基准面保持一致。集束连续管井口多通道分流组件，所有与内管连接的部位均需采用密封垫圈实现密封。

2.2 工作原理

集束连续管井口悬挂分流装置应用于集束连续管完井作业过程中，由井口悬挂组件来实现外管的悬挂;井口分流组件进行不同储层生产分流和内管的固定。

作业时，将连续管下入到设计深度后，启动安装在井口主阀上的大通径连续管悬挂组件，转动锁紧螺杆将卡瓦调整至顶盖内腔最下部，卡瓦板牙咬住连续管外壁，下方连续管将管重逐渐转移到卡瓦上，并悬挂住连续管。同时，多瓣式密封支撑块也相互贴合形成支撑底座，依靠连续管的重力进一步压缩密封橡胶使之径向膨胀，以密封连续管与密封橡胶以下的井口环空。剪管并移除连续管井口作業设备后，在井口悬挂组件上安装集束连续管分流组件，井口分流组件位于四通中心位置。将集束连续管的3个通道分流到四通的3个通道中，具体分流过程为：集束连续管穿过并固定在连接器下接头中，第一集束通道与第一连接器通道的下端连接，第二集束通道与第二连接器通道的下端连接，将集束连续管内管分别分流至分流组件第一水平通道和第二水平通道。集束连续管外管外径小于与下接口所对应的管壁的内径，集束连续管外管与下接口所对应的管壁之间形成环空，该环空与第一连接器通道和第二连接器通道均不连通，即上接口可以通过连接通道实现环空气体的采集，而不影响下游气体采集操作。

2.3 主要技术参数

垂直通径：130 mm；

适合连续管规：60.325 mm；

额定工作压力：70 MPa；

额定悬挂载荷：320 kN；

产品等级：API6A EE-PSL3G-PRⅠ；

工作温度：-46～+82 ℃。

2.4 性能特点

（1）可精确控制卡瓦、密封橡胶和密封支撑块组合体的张开与抱合，实现卡瓦提前预置在大通径连续管悬挂组件内部。避免额外配套操作窗才能投放卡瓦，可实现对连续管的多次重复悬挂和密封，增强了对作业时或悬挂后因意外情况需要带压上提连续管时的适应性和便捷性。

（2）解决了要求常规整体式密封胶筒内径必须与连续管外径一致的工具通过性问题，且利用连续管重力来压紧多瓣式密封橡胶相互贴合，以密封连续管与井口环空，实现高压下有效密封。

（3）实现集束连续管3个通道的分流，结构简单、操作便捷，保证装置的密封性能，各通道气体不会相互渗透。

（4）采用可旋转的中间接头，能够相对于连接器上接头转动，可以根据不同工况调整中间连接头的角度，使整个采气树及管汇处于最优安装位置。

3 试验研究

3.1 室内试验

现场试验前，分别开展悬挂组件气密封试验和分流组件密封试验，以验证集束连续管悬挂分流装置的密封可靠性，保证安全施工作业。

3.1.1 试验方法

对悬挂组件本体及胶筒进行密封性试验，试验根据API Spec 6A要求进行。

利用气密性试验机对分流组件的2个通道开展气密性试验，以验证分流组件对各通道隔绝密封的能力。试验示意图如图7所示。

具体试验过程为：

（1）取集束连续管分流组件进行装配。

（2）试验前将分流组件一端安装密封塞，对通道进行密封固定。

（3）采用手动液压泵对2个通道同时进行试验，分别按15、30、45和60 MPa这4个梯度加压，每个梯度稳压10 min，观察并记录压力变化情况，同时记录是否泄漏。

（4）试验结束，卸压后拆卸工装，设备归位。

3.1.2 结果及分析

悬挂组件气密封试验过程中均无气泡产生。试压曲线如图8和图9所示。

分流组件试验全程未出现泄漏现象。2个通道气密性试验曲线如图10所示。

由图8～图10可知，规定时间内悬挂组件压降均在2 MPa以内，分流组件2个通道的不同梯度稳压阶段压降均小于1 MPa，表明集束连续管悬挂分流装置具有优良的密封性能，符合现场施工要求。

3.2 现场试验

2020年在大吉5-1向6井场，针对煤层气与煤系地层天然气综合开发排水采气工艺研究，以8#煤为目的层，利用封隔器将致密气盒7、山21分层，形成了集束连续管两气合采工艺方案。按照方案，对该井实施60.3 mm集束连续管两气合采完井作业。

应用过程中，集束连续管悬挂组件完成了集束连续管井口的悬挂以及密封，分流组件实现了对气体的导流，保障了作业的顺利进行。后期储层排通至平稳生产，验证了两气合采完井采气技术的可行性和高效性，具有广泛的推广应用前景。

4 结 论

（1）设计了适用于集束连续管两气合采的井口悬挂分流装置，该装置具备井口悬挂和分流密封功能。井口悬挂组件采用大通径多瓣式卡瓦和预置悬挂密封组合体结构，现场施工时无需额外配套大通径专用防喷器和操作窗等井口装置，显著降低施工费用。

（2）井口分流组件通过2个通道的分隔实现2种气体的分流，避免了集束连续管入井后上下窜动的风险，解决了集束连续管2根内管与四通阀旁通中心基准面方向不一致的难题。

（3）开展了悬挂组件本体和悬挂组件胶筒的密封性试验，以及分流组件的气密封试验。试验结果表明，各装置密封性能良好，符合现场施工要求。

（4）现场应用情况表明，集束连续管井口悬挂分流装置保障了集束连续管完井以及两气合采工艺的顺利实施，满足现场应用要求，为集束连续管两气合采工艺技术推广奠定了基础。［1］  吕维平，郭智栋，唐纯洁，等．集束连续管分流连接器的研制与应用［J］．石油机械，2020，48（12）：95-100．

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