安　倫，何東升，張麗萍，荊江錄

(1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；

2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

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國內外水平井壓裂滑套技術研究進展

安倫1，何東升1，張麗萍2，荊江錄2

(1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；

2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

摘要：套管滑套壓裂技術是近幾年發(fā)展起來的一種水平井儲層改造方法，該技術不需要下套管固井、射孔等操作。通過對國內外壓裂技術調研分析，發(fā)現國內外壓裂滑套技術采用特殊工具(球、飛鏢、HBA)或者使用連續(xù)油管和井下工具打開滑套，進行加壓，實現地層壓裂，改善地層的滲透率、孔隙度，提高采收率。介紹了國外各公司現階段的壓裂滑套產品，并分析了各壓裂工具的結構、工作原理，對比其優(yōu)缺點。針對國內現階段的壓裂滑套技術的不足指出了現階段壓裂滑套的研究重點和發(fā)展方向。

關鍵詞：分段壓裂；壓裂滑套；地層改造；多級壓裂

隨著石油天然氣的開發(fā)、開采，低滲透、低空隙度等非常規(guī)油氣井增多，開發(fā)難度加大。水平井分段壓裂技術有效的實現了壓裂增產的目的，是油田增產增注的有效手段。這項技術在頁巖氣、煤層氣的開發(fā)中占主導地位。隨著非常規(guī)油氣田的增多，水平井鉆井數越來越多，水平井壓裂技術的應用也越來越廣泛[1]。近幾年，我國的水平井分段壓裂技術取得了很大進步，但與國外的技術仍然存在差距。

壓裂滑套是分段壓裂技術的關鍵。國內外對壓裂滑套的結構和功能進行了對比研究[2-5]。要有效的實現壓裂增產，滑套必須具備以下特點：

1)滑套能在設定壓力下準確打開，需要的時候能關閉。

2)滑套在未打開之前，壓裂液或者其他流體不外泄，密封有效。

3)在實現上一級或幾級壓裂時，保證與下一級之間有效封堵。

1國外壓裂滑套現狀

國外水平井分段壓裂技術已經廣泛應用，其設備也相對完善。BackerHughes、Sclumberger、Halliburton和Weatherford公司都有自己的壓裂滑套及其配套工具。

從分段級數上分，壓裂滑套可分為無級壓裂滑套和有限級壓裂滑套。無級壓裂有Weatherford公司的I-ball工具、Schlumberger公司的TAP完井系統(tǒng)；其他壓裂方法可以實現不同層數的壓裂。從壓裂工具打開方式上分，可分為投球(飛鏢)式壓裂滑套、連續(xù)油管工具打開壓裂滑套和液壓打開3種工具。投球滑套有Weatherford公司的ZoneselectTM系列中Multi-shift和Single-shot滑套、Halliburton的RapidFRAC滑套等；連續(xù)油管打開壓裂滑套有Weatherford公司的ZoneSelect Monobore系統(tǒng)，液壓打開壓裂滑套有BJ Servces公司的OptiPort系統(tǒng)。

1.1Weatherford公司的ZoneSelectTM系統(tǒng)

1.1.1Monobore工具

Weatherford公司的ZoneSelectTM Monobore壓裂工具適用于水平井，主要由壓裂滑套和井下組合工具(BHA)兩部分組成[5]，屬于機械開啟式壓裂滑套。Monobore滑套有上接頭、下接頭、內滑套和密封圈等組成，如圖1所示。壓裂滑套隨套管一起下放到井下需要壓裂的層位，然后坐封懸掛封隔器，坐封尾管。井下組合開關工具由連續(xù)油管或其他工具帶入井下，開啟或關閉滑套，實現各產層的壓裂。

1—上接頭；2—內滑套；3—密封環(huán)；4—下接頭。

連續(xù)油管上的井下組合工具可以選擇性地打開或關閉任何一個滑套。當需要壓裂某一地層時，首先將井下組合工具與相應地層的壓裂滑套通過鎖塊相配合，下放連續(xù)油管，帶動井下組合工具和內滑套下移，打開滑套，連通油管和地層環(huán)空。然后，上提連續(xù)油管將井下組合工具停在工具腔內，如圖2所示。最后加壓壓裂地層。當壓裂完成后，將井下組合工具移動到其他滑套處，實現其他地層的壓裂。直到所有的地層壓裂完成，關閉不需要的地層，取出連續(xù)油管。

1—鎖塊；2—開關工具;3—工具腔。

Monobore滑套能在國外廣泛應用，有其獨特優(yōu)點：利用連續(xù)油管打開或關閉，可以減少井口泵入液體，實現所有層均可單獨壓裂；套管內徑不變，理論上可實現無級差壓裂；壓裂時連續(xù)油管不用取出，大幅減少了作業(yè)時間；耐溫可達163 ℃。由于連續(xù)油管自身的限制，事實上不能做到無級差壓裂；利用連續(xù)油管定位開關工具也是一個技術難題。

1.1.2Multi-shift工具

Multi-shift壓裂滑套可以用在水平井或者豎直井中，主要由上接頭、下接頭、球座、銷釘、內滑套等組成，如圖3?；装惭b在兩個封隔器之間。當地面投入的球坐落在球座上后，加壓，推動內滑套下移，打開滑套，進行壓裂。然后投入較大的壓裂球對上一層進行壓裂，直到所有產層壓裂完成。壓裂完成后，對井眼進行清洗，磨銑掉球座和留在井眼中的壓裂球。井眼處理完成后，就可以用常規(guī)的開關工具關閉不必要的滑套。

1—上接頭；2—球座；3—銷釘；4—內滑套；5—下接頭。

Multi-shift滑套可以與直徑為88.9、114.3、139.7 mm的套管配套使用，可壓裂層數分別為13、19、21。承受最高溫度為163 ℃。剪切壓力調節(jié)為6.9～27.6 MPa。所用的壓裂球的增量約為3 mm。

利用投球來控制滑套打開的方式簡單、方便，球座設計能保證密封。球座都是用鑄鐵制成，保證了磨銑過程快速且有效。投球滑套對泵注液體體積要求嚴格[5]，液體體積控制不好可能導致提前坐封或者滯后坐封。提前坐封導致上一個壓裂層還沒有充分壓裂，形成裂縫；坐封滯后，導致壓裂好的產層支撐劑流失，達不到預期的壓裂效果。

1.1.3Single-Shot工具

Single-shot工具的結構與Multi-shift基本一致，有上接頭、下接頭內滑套、球座等部分，但增加了卡環(huán)，如圖4?？ōh(huán)用于內滑套和外壁的軸向定位?；紫滦兄量ōh(huán)與外壁的凹槽對其的位置時，卡環(huán)張開鎖死，內滑套固定，防止了滑套在打開后再自行關閉。其工作原理與Multi-shift也大致相同：投球、加壓、剪斷銷釘、打開滑套、壓裂，最后反排球，磨銑球座，再投產。

該滑套可以與直徑為73.03、88.9、114.3、139.7 mm套管配合使用，可壓裂的層數分別為14、23、40。

要保證壓裂層的球順利返排，壓裂球直徑從下到上一次遞增。由于井眼直徑的限制，壓裂球的直徑不能無限增大，所以壓裂層數嚴重受到限制。

1.1.4I-ball工具

I-ball是Weatherford公司2013年推出的一個壓裂滑套工具[7]，是投球壓裂滑套的一種，它結合了CT輔助壓裂和以往投球滑套的優(yōu)點?；追譃?個部分：上接頭、計數滑套、球籠、內滑套、彈簧、可收縮性球座、下接頭。

為了更好地說明其工作原理，以計數為5的滑套為例。如圖5所示，井口投入第1個球后，球運動到計數滑套處推動球籠向下運動一個單元，球順利通過球籠和下面的收縮球座。直到第5個球通過球籠時，球籠向下運動，帶動內滑套向下運動，內滑套推動伸縮球座向下運動的同時壓縮彈簧。伸縮球座運動到收縮位置后，壓裂球不能通過球座，形成坐封。坐封形成后，井口加壓，壓裂該產層。其他產層在相應的球投入后可依次壓裂。全部產層壓裂完成之后，地層壓力推動球流向井口。

1—上接頭；2—計數滑套；3—球籠；4—內滑套；

I-ball滑套在傳統(tǒng)投球壓裂基礎上做了很大改進。傳統(tǒng)投球滑套沒有計數滑套，球的坐封由投入球的尺寸來控制，每一個球對應一個壓裂滑套。而新型滑套的計數滑套與收縮球座共同完成了壓裂層的識別，不需要改變球的直徑。用同樣尺寸的球進行壓裂，取消了球直徑對壓裂層數的限制，實現無級差壓裂?？墒湛s球座在壓裂后可以還原，省去了磨銑球座的工藝，減少成本，提高效率。如果某一處出現砂堵或其他故障，會導致整個壓裂工藝中斷。

1.2BackerHughes公司OptiPort工具

該技術是BJ公司的專利技術，2009年Backerhughes收購了BJ。這項技術獲得2011年E&P增產技術獎。OptiPort滑套是液壓開關滑套。主要結構如圖6所示。

1—主體；2—油孔；3—上腔；4—內滑套；

滑套工作時，需要井下組合工具配合。井下組合工具由連續(xù)油管下放，主要包括管內封隔器、套管接箍定位器等。壓裂時，首先通過連續(xù)油管下放井下組合工具，由接箍定位器定位。定位后，管內封隔器停在壓裂滑套內，且位于內滑套下方，然后向連續(xù)油管內打壓坐封管內封隔器。 坐封完成后，在連續(xù)油管和套管環(huán)空中打壓，壓力通過油孔傳到上腔，作用在內滑套上端。壓力達到預定值，銷釘剪斷，內滑套下移，壓裂滑套打開。最后加壓進行壓裂。壓裂完成后，對封隔器進行解封。上提或下移連續(xù)油管，對下一產層進行壓裂。直到所有產層壓裂完成后，取出連續(xù)油管，全井投產。

OptiPort滑套有自身的優(yōu)點：無縮徑，可以無限制的分層壓裂，壓裂完成后不需要磨銑橋塞或球座。適用于直徑為114.3mm和137.2mm的套管。

1.3Sclumberger公司的TAP系統(tǒng)

Sclumberger公司的TAP工具采用了液壓技術和投入飛鏢坐封壓裂技術[9-10]。其結構如圖7所示，包含上接頭、流道、內滑套、銷釘、液壓腔、壓差滑套和C形環(huán)。

1、8—流道；2—上接頭；3—內滑套；4—銷釘；

最初壓裂時，采用起始壓裂閥，其結構與上述結構大致相同。不同點在于球座固定在內滑套上，投入飛鏢加壓，便可開啟滑套，進行壓裂。在壓裂時，液體壓力會通過流道8傳到上一級TAP壓裂滑套的液壓腔。液壓腔的壓力增大，推動壓差滑套向下移動。壓差滑套擠壓C形環(huán)，致使C形環(huán)收縮，內徑縮小，形成球座。在上一級壓裂完成后，投入下一個飛鏢，坐落在剛形成的球座上，完成坐封，開始下一級壓裂。重復此過程，直到所有的產層壓裂完成，開始投產。如果需要關閉不必要的產層，則需下入連續(xù)油管和井下組合工具。組合工具與內滑套相配合，上提或下放連續(xù)油管，可實現滑套的開閉。

利用TAP滑套壓裂，壓裂層數不受限制，可實現無級差壓裂。同時，壓裂完成后，用連續(xù)油管可以開閉任意產層。TAP壓裂是一個連續(xù)的過程，任何一個環(huán)節(jié)出現故障，壓裂將被迫停止。

1.4Halliburton公司的Rapid Frac系統(tǒng)

Rapid Frac系統(tǒng)是Halliburtond 2011年引進的技術，其主要有以下部分組成：Rapid Frac滑套、Rapida Stage滑套、Rapid Start滑套和裸眼封隔器。如圖8所示。

1、6—銷釘；2—下滑套；4、7—內滑套；3、8—球座；

Rapid Frac滑套和Rapid Stage滑套配合使用，5個Rapid Frac滑套和1個Rapid Stage滑套組合，同一尺寸壓裂球可一次性壓裂6層。完井管串坐封完成，泵入高壓液體進行壓裂。Rapid Start在高壓下，打開滑套實現最下層的壓裂。然后投入最小尺寸的球，球坐落在Rapid Stage上之前，先通過5個Rapid Frac滑套，推動滑套上的球座和下滑套下行。在擴徑處球座張開，球繼續(xù)下行，球座和下滑套鎖緊。最后球坐落在Rapid Stage滑套的球座上，實現坐封。坐封完成，開始加壓，Rapid Frac滑套在壓差下打開，泵入壓裂液開始壓裂。5個RapidFrac滑套和Rapid Stage滑套處同時壓裂，實現一次性壓裂6層的高效作業(yè)。

Rapid Frac系統(tǒng)最多可壓裂15段，每段6個滑套。封隔器耐壓70 MPa，最高適應溫度177 ℃。

2國內壓裂滑套現狀

國內各油田和油田服務公司也積極投入壓裂滑套的研究。中石油渤海鉆探技術研究院對水平井壓裂滑套進行了一系列研制和分析[11-13]。中石化德州大陸架石油工程技術有限公司對壓裂滑套也進行了探討[2，14]。

國內的壓裂滑套主要采用投球壓裂滑套，即一個壓裂球壓裂一個地層的壓裂方式。目前國內對結構的各個部件也進行分析[15]，其結構能夠滿足功能要求。但這種壓裂方式和Weatherford公司Multi-shift 工具具有同樣的缺陷。在國內，壓裂球的直徑遞增量最小做到3.175 mm，而國外壓裂球的增量最小能做到1.588 mm，這就導致國內投球壓裂滑套壓裂層數受到更為嚴重的限制。

總體來說，國內壓裂滑套在提高壓裂層數和壓裂效率上仍面臨著嚴重挑戰(zhàn)。從Halliborton的Rapid Frac到Slumberger的TAP再到Weatherford的I-ball壓裂工具，可以看出水平井壓裂正朝著多層數、智能化方向發(fā)展。在這方面，我國的水平井壓裂技術還存在很大差距。

3結語

目前，油田用壓裂滑套主要有2類：投球壓裂滑套和連續(xù)油管+井下工具壓裂滑套。投球壓裂滑套可分為固定球座分段壓裂滑套和可變球座分段壓裂滑套。連續(xù)油管+井下工具壓裂滑套可分為液控式和機械式。

油田所用投球式壓裂滑套需要精確控制泵注液體體積，從而需要優(yōu)化壓裂工藝，實時監(jiān)測井下壓力。投球滑套要實現無級差壓裂則需要采用可變徑球座，消除井眼內徑對投球數量的限制，從而消除對壓裂級數的限制。

油田所用的連續(xù)油管+井下工具壓裂需要在井下精確定位，Hallibruton公司采用了無線套管接箍定位器，減少了誤差。雖然國內的連續(xù)油管輔助壓裂應用廣泛，但無線射頻技術在井下應用困難，必須加大井下信息傳輸的研究，使壓裂朝著智能化發(fā)展。連續(xù)油管+井下工具實現無級差壓裂需要采用可變徑工具，實現坐封，壓裂地層。

無級差壓裂技術應用廣泛，同時也要提高有限級壓裂的壓裂效果，更好地改造儲層，提高油田采收率。但就國內而言，無級差壓裂技術不成熟，仍需借鑒國外先進技術，加大研發(fā)力度。

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Fracturing Sleeve Technology Research Domestic and Overseas

AN Lun1，HE Dongsheng1，ZHANG Liping2，JING Jianglu2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.DownholeOperationBranch，CNPCXibuDrillingEngineeringCo.，Ltd.，Karamay834000，China)

Abstract：A method of reservoir reconstruction for horizontal well with casing sliding sleeve fracturing has been developed in recent years.The technique does not require casing cementing，perforating or other operation.Investigation and research on the fracturing technique show that opening the sliding sleeve with special tools (ball，darts，HBA) and coiled tubing with downhole tool，pressure，realize the formation permeability and porosity enhance oil recovery.Meanwhile，the fracturing sliding sleeve products in the foreign companies are introduced in detail，as the same to analysis in the structure，the working principle of each fracturing tool，and its advantages and disadvantages.According to the disadvantage of fracturing technique，the key option in research and the direction of development of the sliding sleeve are put forward at the present stage of fracturing.

Keywords：staged fracturing；fracturing sleeve；reservoir transformation

中圖分類號：TE934.203

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.019

作者簡介：安倫(1990-)，男，四川閬中人，碩士研究生，主要研究方向：鉆井機械，E-mail：648402357@qq.com。

基金項目：石油天然氣裝備教育部重點實驗室建設項目(010861012)

收稿日期：①2015-09-17

文章編號：1001-3482(2016)02-0084-05