楊同玉，魏 遼，馮麗瑩，馬蘭榮，朱玉杰

(1.中國石化華北油氣分公司工程技術(shù)管理部，河南鄭州450006；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101)

鄂爾多斯盆地北部大牛地氣田和東勝氣田的新開發(fā)井大都采用套管完井+連續(xù)油管底封拖動或泵送橋塞壓裂增產(chǎn)方式，受儲層特性及工具性能等的影響，現(xiàn)場應(yīng)用時存在以下問題：1)底封拖動壓裂采用水力噴射射孔進行首段壓裂，施工泵壓超過70 MPa時，封隔器上下壓差大，壓裂后解封時密封單元易損壞，必須起出壓裂管柱更換封隔器[1-3]，截至2017年底，2個氣田封隔器失效井占總井數(shù)的10%以上；2)采用泵送橋塞進行趾端壓裂前，必須通過連續(xù)油管穿電纜攜帶射孔槍進行射孔[4-8]，導(dǎo)致趾端壓裂作業(yè)成本較其他層段增加20%以上[9-11]。

針對上述問題，筆者開展了水平井趾端滑套分段壓裂技術(shù)研究，優(yōu)化了壓裂管柱結(jié)構(gòu)，研制了固井施工用密封鎖緊座以及具備套管試壓、延時啟動功能的趾端壓裂滑套等關(guān)鍵工具，并進行了地面性能試驗，結(jié)果表明，該工具控制啟動壓力的準確性好，延時控制系統(tǒng)的可靠性高，承壓能力達到了現(xiàn)場應(yīng)用要求，能滿足非常規(guī)油氣儲層水平井壓后套管內(nèi)全通徑的要求[12-14]。

1 水平井趾端壓裂技術(shù)原理

水平井趾端壓裂技術(shù)是在套管柱上預(yù)置趾端壓裂工具，與套管柱一起下入井內(nèi)，壓裂施工時無需下入其他工具即可實現(xiàn)水平井首段壓裂施工[15]，水平井趾端壓裂管柱從水平井底部開始依次為浮鞋、密封鎖緊座、套管、趾端延時滑套和套管(至井口)，如圖1所示。

圖1 水平井趾端壓裂管柱示意Fig.1 Diagram of toe-end fracturing string for horizontal wells

油層套管下至預(yù)定位置后，實施常規(guī)固井，投固井膠塞進行頂替施工直至膠塞與密封鎖緊座碰壓并鎖緊、密封，為壓裂施工時套管試壓提供井筒密封條件。進行套管柱試壓作業(yè)時，管內(nèi)壓力激活趾端延時滑套。試壓時間持續(xù)15～30 min，試壓結(jié)束后滑套延時停止，滑套打開，此時管內(nèi)與地層溝通，通過地面泵入壓裂液進行水平井首段壓裂。

該項技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下2個方面：1)套管柱預(yù)置密封鎖緊座，可實現(xiàn)管內(nèi)密封，管柱內(nèi)加壓進行壓裂前套管試壓作業(yè)，降低了因套管泄露產(chǎn)生的施工風(fēng)險；2)套管試壓結(jié)束后，趾端滑套立即打開，直接進行首段壓裂，無需進行射孔作業(yè)，相比常規(guī)電纜射孔作業(yè)大大縮短了施工周期。

2 關(guān)鍵工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

水平井趾端壓裂工具要滿足套管柱內(nèi)密封可靠和滑套開啟可靠的要求，且壓裂后套管柱內(nèi)應(yīng)形成全通徑，以方便實施修井或者其他二次作業(yè)。為此，研制了全通徑趾端延時滑套和具備循環(huán)功能的密封鎖緊座等關(guān)鍵工具。

2.1 趾端延時滑套

趾端延時滑套是一種通過液壓控制開啟的壓裂滑套，主要由爆破閥、內(nèi)活塞、液體腔、延時閥和真空腔等部分組成，如圖2所示。

圖2 趾端延時滑套結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of toe-end time delay sliding sleeve

該工具主要具有以下2方面的功能：1)滿足套管固井、壓裂施工前套管試壓要求，利用泵車向套管內(nèi)加壓，啟動滑套延時控制系統(tǒng)，滑套延時時間即為套管試壓時間；2)試壓結(jié)束后，趾端滑套立即打開，建立套管與地層之間的液流通道，并進行水平井首段壓裂施工作業(yè)。因此，該工具主要包括壓力控制系統(tǒng)(爆破閥)和延時控制系統(tǒng)。其中，延時控制系統(tǒng)的主要部件是延時閥，該閥將活塞腔分為液體腔和真空腔2部分。

壓力控制系統(tǒng)和延時控制系統(tǒng)的可靠性直接決定了滑套在井下相關(guān)功能的實現(xiàn)，其工作原理是：當工作壓力超過延時控制系統(tǒng)的剪切限定值時，爆破閥開啟，壓力推動內(nèi)活塞移動，激活工具內(nèi)的延時控制系統(tǒng)，內(nèi)活塞將液體腔內(nèi)的液壓油緩慢擠入真空腔，通過延時閥控制液壓油的流速；試壓時間達到30 min時，內(nèi)活塞移動到位，滑套完全打開，建立井筒與地層間的流通通道。

2.1.1 啟動壓力控制系統(tǒng)

趾端延時滑套需具備精準控制啟動壓力的能力，如果啟動壓力過高，現(xiàn)場試壓結(jié)束后滑套不能正常打開；如果啟動壓力過低，管柱下入及固井替漿過程中滑套可能提前打開。經(jīng)過研究，滑套啟動壓力的誤差需控制在設(shè)計值的3%以內(nèi)。

滑套的打開機構(gòu)主要由爆破閥單元和活塞單元組成。其中,爆破閥是打開滑套的關(guān)鍵部件，如圖3所示，當壓力達到爆破閥啟動壓力時，閥片破裂，壓力傳導(dǎo)到活塞上，活塞在液壓作用下移動，直至滑套完全打開。因此，爆破閥啟動壓力的誤差關(guān)系到延時滑套能否在設(shè)定壓力下順利打開。影響爆破閥啟動壓力的因素主要包括閥片材質(zhì)、閥片面積、加工工藝和破裂方式等[11]。

圖3 爆破閥結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of blasting valve

為了降低環(huán)空壓力對爆破閥啟動壓力的影響，啟動壓力設(shè)計為滑套所在位置的井底靜液柱壓力加上爆破閥的破裂壓力，計算公式為：

pv=ps+ph

(1)

式中：pv為延時爆破閥實際啟動壓力，MPa；ps為爆破閥破裂壓力，MPa；ph為滑套所在位置的靜液柱壓力，MPa。

現(xiàn)場施工時，爆破閥的啟動壓力需根據(jù)地層破裂壓力、井深、水泥漿密度、固井時的循環(huán)壓力及壓裂前井內(nèi)液體密度等多個因素決定。

2.1.2 延時控制系統(tǒng)

延時控制系統(tǒng)主要由活塞、液體腔、延時閥和真空腔組成，如圖4所示。通過設(shè)計液體腔和真空腔，利用活塞推動液體在兩腔之間進行單向定量流動，實現(xiàn)延時。

圖4 延時控制系統(tǒng)原理示意Fig.4 Schematic diagram of time delay control system

延時閥是延時控制系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響滑套的可靠性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過調(diào)整閥體開度，調(diào)節(jié)流體流動速度、壓力，精準控制延時時間，可實現(xiàn)延時15～40min。其中,閥芯及密封組件需滿足耐高溫(150 ℃)和耐高壓(100MPa)的要求。延時閥通過控制液體腔內(nèi)液體排出的速度來控制滑套打開時間，以起到延遲打開的功能。因此，延時閥控制滑套打開時間(液體腔內(nèi)液體排出的時間)的計算公式為：

式中：tc為套管試壓時間(即滑套延時時間)，min；Vv為延時滑套內(nèi)套打開時液體腔內(nèi)排出液體的體積，mL；As為延時閥的流量參數(shù)，mL/min。

圖5 延時閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of time delay valve

2.2 密封鎖緊座

密封鎖緊座主要由外殼、限位套、內(nèi)滑套、鎖緊裝置和配套固井膠塞等部件組成，如圖6所示。與常規(guī)碰壓短節(jié)不一樣的是，配合趾端延時滑套使用的密封鎖緊座要求一次碰壓成功且碰壓后實現(xiàn)鎖緊密封，只有這樣才能確保在套管柱內(nèi)形成密封腔。同時，該短節(jié)在隨套管柱下入過程中，需要具備正反循環(huán)功能，避免循環(huán)時井內(nèi)污物在密封鎖緊座處沉積造成堵塞和循環(huán)不暢等問題，防范固井結(jié)束后發(fā)生環(huán)空水泥漿倒返、井噴和井涌等風(fēng)險。

圖6 密封鎖緊座Fig.6 Seal locking seat

鎖緊裝置是密封鎖緊座的核心結(jié)構(gòu)，其裝配位置見圖6?，F(xiàn)場施工時，固井膠塞運行至循環(huán)閥處，塞芯導(dǎo)向頭進入內(nèi)滑套，與內(nèi)滑套配套鎖緊；繼續(xù)提高管柱內(nèi)的壓力，剪斷循環(huán)閥剪釘，內(nèi)滑套下移關(guān)閉鎖緊座循環(huán)孔，管柱內(nèi)外實現(xiàn)壓力隔離。同時，鎖緊裝置上的鎖止塊彈開鎖住內(nèi)滑套，實現(xiàn)碰壓短節(jié)與膠塞的雙重鎖定和密封，防止井底壓力將內(nèi)滑套推開，從而確保循環(huán)閥能承受一定的反向壓力。該裝置的結(jié)構(gòu)區(qū)別于常規(guī)卡簧式鎖止裝置，大大提高了膠塞與內(nèi)滑套以及碰壓短節(jié)自身的反向鎖止密封可靠性。

3 地面性能試驗

3.1 趾端延時滑套性能試驗

根據(jù)φ139.7mm趾端延時滑套現(xiàn)場施工要求，按照滑套額定承壓105.0MPa、爆破閥啟動壓力80.0MPa和滑套延時15～30min完全打開等參數(shù)進行設(shè)計，并加工相應(yīng)樣機及試驗裝置，進行趾端延時滑套性能試驗。

試驗時，趾端延時滑套安裝在模擬試驗井筒內(nèi)，以清水為介質(zhì)，通過連接加壓泵將清水注入滑套內(nèi)，測試滑套延時時間及打開壓力，結(jié)果如圖7所示。試驗表明，爆破閥在壓力達到82.0MPa時啟動(見圖7中點A)，啟動之后壓力有所下降(見圖7中點B)，此時延時滑套的內(nèi)活塞開始移動并擠壓液體腔內(nèi)的液體開始延時，繼續(xù)提高壓力至滑套額定工作壓力105.0MPa左右(見圖7中點C)；在此壓力下，滑套穩(wěn)定延時約29min后壓力開始下降(見圖7中點D)，滑套內(nèi)活塞完全打開，壓力瞬間降至0MPa。試驗結(jié)果表明，滑套爆破閥啟動壓力和滑套延時打開時間均符合設(shè)計要求。

圖7 趾端延時滑套性能試驗曲線Fig.7 Performance testing curve of toe-end time delay sliding sleeve

3.2 密封鎖緊座性能試驗

將膠塞裝入試驗套管內(nèi)，然后組裝密封鎖緊座性能試驗管柱(見圖8)，進行密封鎖緊座性能試驗。

試驗時，以清水為介質(zhì)，開啟循環(huán)泵，將排量調(diào)至0.4m3/min，推動膠塞在套管內(nèi)移動，同時觀察泵壓變化，當壓力迅速升高至9.3MPa后，達到循環(huán)泵泄壓壓力，系統(tǒng)壓力迅速降至0MPa，說明實現(xiàn)了膠塞碰壓；同時在管柱另一側(cè)接入試壓泵，測試碰壓鎖緊短節(jié)的反向承壓能力，試壓最高壓力參考現(xiàn)場固井碰壓壓力(最高35.0MPa)并附加50%計算(為52.5MPa)，試壓穩(wěn)壓15min后均無泄露，表明膠塞與碰壓鎖緊短節(jié)碰壓、鎖緊成功，且反向承壓達到設(shè)計要求。

圖8 密封鎖緊座性能試驗管柱Fig.8 Performance testing string of seal locking seat

4 結(jié)論與建議

1) 通過地面性能試驗可知，趾端延時滑套啟動壓力為82.0MPa，額定工作壓力達到105.0MPa，延時29min后滑套完全打開，延時時間控制準確，表明其具備現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。

2) 密封鎖緊座鎖緊后的反向承壓能力達52.5MPa，可為趾端延時開啟滑套提供可靠的鎖緊密封，提高整套管柱系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

3) 趾端延時滑套打開壓力的設(shè)定需結(jié)合現(xiàn)場施工井的實際參數(shù)，因此，在后續(xù)的研究中，需要評估啟動壓力控制系統(tǒng)、延時控制系統(tǒng)的抗疲勞性能，防止工具入井時因壓力頻繁波動發(fā)生滑套提前打開等問題。