楊海波， 趙傳偉， 李 毅

(1中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 2中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)“非常規(guī)油氣鉆完井技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室” 3 中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院)

國(guó)內(nèi)外油氣開(kāi)發(fā)均面臨著低滲透、超低滲透儲(chǔ)層自然產(chǎn)能低，開(kāi)發(fā)建產(chǎn)率低等難題[1-4]。水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)能夠有效提高低滲透油氣藏的采收率和儲(chǔ)量動(dòng)用率，是低滲透油氣藏開(kāi)發(fā)的重要手段之一[5-6]。目前，常用的水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)有：投球滑套+裸眼封隔器壓裂技術(shù)、泵送橋塞壓裂技術(shù)、連續(xù)油管水力噴射壓裂技術(shù)[7-10]。其中，前兩者在壓裂施工后，管柱內(nèi)通徑較小。為了盡可能發(fā)揮油氣井產(chǎn)能，利于生產(chǎn)測(cè)井及后期井下作業(yè)工具的下入，需要將殘留的球座或橋塞磨銑掉。這便增加了作業(yè)周期和成本，而且磨銑過(guò)程存在卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。后者雖然可實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)較大通徑，但是需要連續(xù)油管作業(yè)裝備，成本較高。為此，國(guó)外研發(fā)出了全通徑滑套壓裂技術(shù)。該技術(shù)可在不下內(nèi)管、不進(jìn)行磨銑作業(yè)情況下，實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)較大通徑[11-12]。國(guó)外公司對(duì)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵工具—全通徑壓裂滑套，進(jìn)行技術(shù)保密。國(guó)內(nèi)該技術(shù)尚處于工具研發(fā)及室內(nèi)測(cè)試階段。筆者研制了投球式全通徑壓裂滑套。該滑套具有壓裂級(jí)數(shù)不受限制，無(wú)需下內(nèi)管、無(wú)需鉆除作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)全通徑，利于后期生產(chǎn)管理等優(yōu)點(diǎn)，為低滲透及非常規(guī)油氣資源的開(kāi)采提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。

一、結(jié)構(gòu)組成與工藝原理

1.結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，投球式全通徑壓裂滑套主要包括上接頭、內(nèi)滑套、外殼、彈簧、開(kāi)關(guān)、可復(fù)位球座、套筒及下接頭。其中，上接頭和外殼內(nèi)壁有凹槽(1～3)；內(nèi)滑套由上彈性爪和下彈性爪組成，兩者均可沿內(nèi)滑套的徑向收縮。初始狀態(tài)下，上彈性爪處于收縮狀態(tài)，下彈性爪處于自由狀態(tài)。壓裂滑套最大外徑145 mm，壓裂前最小內(nèi)徑76 mm，壓裂后最小內(nèi)徑89 mm，內(nèi)滑套啟動(dòng)壓力6～8 MPa，滑套打開(kāi)壓力12～15 MPa，耐壓70 MPa，耐溫≥120℃，壓裂球尺寸84 mm。該滑套可與尾管懸掛器、裸眼封隔器、壓差打開(kāi)滑套、井筒隔離閥以及引鞋等工具配合，用于水平井裸眼分段壓裂。

2.工作原理

以第1級(jí)投球式全通徑壓裂滑套(圖1)為例來(lái)說(shuō)明該滑套的工作原理：在井口向管柱內(nèi)投入一個(gè)壓裂球，球到達(dá)上彈性爪時(shí)被攔截住，壓裂球以上管柱內(nèi)起壓；壓力達(dá)到一定值時(shí)，壓裂球帶動(dòng)內(nèi)滑套向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)開(kāi)關(guān)一起向右運(yùn)動(dòng)；下彈性爪跳出凹槽2并沿徑向收縮，上彈性爪彈入凹槽3中，壓裂球釋放并落到下彈性爪上；管柱內(nèi)壓力再次升高，壓裂球繼續(xù)推動(dòng)內(nèi)滑套和開(kāi)關(guān)向右移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)可復(fù)位球座一起向右運(yùn)動(dòng)；并使得可復(fù)位球座右端沿徑向收縮為一個(gè)完整球座，同時(shí)彈簧也被壓縮；當(dāng)下彈性爪彈入凹槽1中時(shí)，壓裂球釋放，會(huì)落到可復(fù)位球座上；此時(shí)，上彈性爪進(jìn)入凹槽2中，開(kāi)關(guān)上的通孔與外殼上的通孔對(duì)齊，滑套打開(kāi)；繼續(xù)打壓，可復(fù)位球座推動(dòng)套筒一起向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)套筒與下接頭接觸時(shí)，可復(fù)位球座不再移動(dòng)，彈簧進(jìn)一步被壓縮，壓裂球坐封，繼續(xù)打壓，可壓裂對(duì)應(yīng)的地層。據(jù)此，當(dāng)n級(jí)壓裂滑套串聯(lián)使用時(shí)，為每級(jí)滑套設(shè)計(jì)不同數(shù)量的凹槽，即可實(shí)現(xiàn)：投第n個(gè)球時(shí)，第n級(jí)滑套打開(kāi)。壓裂施工完成后，井口逐漸泄壓，各級(jí)滑套中的可復(fù)位球座在彈簧回復(fù)力的作用下逐漸復(fù)位，n個(gè)壓裂球釋放，可落到井底或返排到井口，管柱內(nèi)實(shí)現(xiàn)全通徑。

圖1 投球式全通徑壓裂滑套結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 內(nèi)滑套結(jié)構(gòu)圖

二、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)研究

1.內(nèi)滑套設(shè)計(jì)及受力分析

1.1 內(nèi)滑套設(shè)計(jì)

如圖2所示，內(nèi)滑套主要由上彈性爪和下彈性爪構(gòu)成。其中，上、下彈性爪均可沿徑向收縮。當(dāng)壓裂球坐于收縮后的彈性爪構(gòu)成的球座上時(shí)，球與球座之間存在一定的泄漏。因此，壓裂球兩側(cè)產(chǎn)生的壓差使得內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)。迫使內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)所需要的壓差稱為內(nèi)滑套的啟動(dòng)壓力。內(nèi)滑套啟動(dòng)壓力應(yīng)大于5.4 MPa，且內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的最大應(yīng)力要小于其材料的許用應(yīng)力，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。由于工作過(guò)程中，上彈性爪和下彈性爪需要反復(fù)的沿徑向收縮、釋放，考慮到井下的惡劣工況，其材料選用高強(qiáng)度、耐沖擊、耐高溫的彈簧鋼60si2CrVA。

1.2 內(nèi)滑套動(dòng)力學(xué)分析

采用顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件Ls-dyna[13-14]分析內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力變化。外殼及壓裂球所用材料均為42CrMo。材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別取0.2、0.3。分步施加載荷：首先在內(nèi)滑套的左端面施加位移載荷，然后在壓裂球的左半球面加載隨時(shí)間遞增的壓力載荷。外殼的左端面施加固定約束，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為0.17 s。圖3所示為T=0.091 s、0.112 s、0.136 85 s和0.161 s時(shí)刻，內(nèi)滑套應(yīng)力云圖。當(dāng)T=0.091 s時(shí)，壓裂球開(kāi)始推動(dòng)內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)，最大應(yīng)力為783 MPa；T=0.112 s時(shí)下彈性爪剛好從凹槽中出來(lái)；T=0.136 85 s時(shí)，壓裂球落到下彈性爪上；T=0.161 s時(shí)，上彈性爪從凹槽中出來(lái)，下彈性爪進(jìn)入凹槽中。內(nèi)滑套所受的最大應(yīng)力為1 036 MPa，發(fā)生在T=0.112 s時(shí)刻，小于材料的許用應(yīng)力1 167 MPa，內(nèi)滑套是安全的。

2.可復(fù)位球座設(shè)計(jì)及受力分析

2.1 可復(fù)位球座設(shè)計(jì)

常規(guī)投球式壓裂滑套的球座在初始狀態(tài)和工作過(guò)程中均是一個(gè)完整的球座。而可復(fù)位球座在初始狀態(tài)下是一個(gè)分體式球座，即球座被分割為12等份；工作過(guò)程中，球座沿徑向收縮為一個(gè)完整的球座，以便于壓裂球座封；施工結(jié)束后，完整的球座又在彈簧作用下回到初始狀態(tài)，成為分體式球座。為了確保施工時(shí)，球與球座之間具有良好的密封性，將可復(fù)位球座按照坐封狀態(tài)下的形狀設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)為一體式球座。加工時(shí)，先通過(guò)車工、銑工得到坐封狀態(tài)下的球座，然后采用線切割技術(shù)將壓裂球坐封處(即球座右端)切割為12等份，并通過(guò)特殊的熱處理技術(shù)使筋板向外擴(kuò)張，成為分體式球座。其材料選用高強(qiáng)度、耐沖擊、耐高溫的彈簧鋼60si2CrVA。

2.2 可復(fù)位球座動(dòng)力學(xué)分析

壓裂施工過(guò)程中，可復(fù)位球座受力最大的狀態(tài)發(fā)生在壓裂球坐封后打壓壓裂地層階段。利用Ls-dyna軟件模擬壓裂球坐封過(guò)程，分析可復(fù)位球座受力變化。材料屬性以及動(dòng)、靜摩擦系數(shù)取值同上。分步施加載荷：首先在可復(fù)位球座的左端面加載位移載荷，使得球座沿徑向收縮為一個(gè)完整的球座；然后在壓裂球的左半球面加載隨時(shí)間遞增的壓力載荷，最大載荷70 MPa。下接頭的左端面施加固定約束，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為0.15 s。

圖3 不同時(shí)刻內(nèi)滑套受力變化圖

圖4所示為不同時(shí)刻可復(fù)位球座的受力情況。模擬結(jié)果表明，T=0.047 s時(shí)，可復(fù)位球座變?yōu)橐惑w式，封堵壓裂球。T=0.065 8 s時(shí)，可復(fù)位球座推動(dòng)套筒運(yùn)動(dòng)。T=0.122 2 s時(shí)，壓裂球兩端壓差達(dá)到了70 MPa，此時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在球與球座接觸面上，為1 061 MPa。但最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力1 167 MPa，因此，可復(fù)位球座強(qiáng)度滿足要求。

圖4 不同時(shí)刻可復(fù)位球座受力變化圖

三、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)加工了投球式全通徑壓裂滑套樣機(jī)(共有7個(gè)凹槽)，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行內(nèi)滑套動(dòng)作實(shí)驗(yàn)，測(cè)試每次投球內(nèi)滑套是否只步進(jìn)一個(gè)凹槽，滑套能否順利打開(kāi)；再進(jìn)行壓裂球坐封實(shí)驗(yàn)，測(cè)試壓裂球能否坐封、可復(fù)位球座的復(fù)位動(dòng)作是否可靠。實(shí)驗(yàn)流程如圖5所示，主要裝置和儀器包括：鉆井泥漿泵、投球式全通徑壓裂滑套樣機(jī)、壓力傳感器、液罐、電磁流量傳感器、球籃以及截止閥A、B。壓力傳感器和電磁流量傳感器安裝在泵的出口端，測(cè)得的壓力及流量信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端進(jìn)行處理；球籃用于攔截投放的壓裂球，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為清水。

圖5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)流程圖

1.內(nèi)滑套動(dòng)作實(shí)驗(yàn)

逐漸調(diào)高泵轉(zhuǎn)速，并注意壓力數(shù)據(jù)變化。壓裂球推動(dòng)內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，壓力會(huì)先變大后減小，再變大又減小，將此過(guò)程中的最大值作為內(nèi)滑套啟動(dòng)壓力值。為了驗(yàn)證每次投球內(nèi)滑套是否只步進(jìn)一個(gè)凹槽，標(biāo)定了兩個(gè)參數(shù)：上接頭左端與內(nèi)滑套左端的初始距離l0=106.6 mm；前4個(gè)凹槽間距相同，間距e=48.1 mm。

每次投球后，測(cè)量的上接頭左端與內(nèi)滑套左端的距離分別為154.7 mm、202.8 mm、250.9 mm、299 mm。這說(shuō)明每投1個(gè)球，內(nèi)滑套步進(jìn)1個(gè)凹槽；前4次投球?qū)嶒?yàn)中，測(cè)得內(nèi)滑套啟動(dòng)壓力值分別為7.4 MPa、7.7 MPa、7.6 MPa、7.5 MPa，平均值為7.6 MPa，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。投放第5個(gè)壓裂球后，滑套打開(kāi)，打開(kāi)壓力為12.6 MPa。

2.壓裂球坐封實(shí)驗(yàn)

在圖5所示實(shí)驗(yàn)流程基礎(chǔ)上，接入了壓差滑套(其打開(kāi)壓力低于泵所能給出的最高壓力15MPa)，主要為了防止壓裂球坐封瞬間產(chǎn)生高壓損壞泵，并采用密封套將壓裂孔密封住，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)后，壓差滑套打開(kāi)，拆開(kāi)滑套可見(jiàn)彈性擋圈彈出，說(shuō)明壓裂球成功坐封。

圖6 壓裂球坐封實(shí)驗(yàn)圖

綜上可知，內(nèi)滑套啟動(dòng)壓力為7.6 MPa，滑套打開(kāi)壓力為12.6 MPa；內(nèi)滑套、開(kāi)關(guān)、彈簧及可復(fù)位球座動(dòng)作可靠，能完成預(yù)定動(dòng)作。

四、結(jié)論

(1)投球式全通徑壓裂滑套適用于裸眼分段壓裂，其優(yōu)勢(shì)在于：無(wú)需下內(nèi)管、無(wú)需鉆除作業(yè)，只需投入多個(gè)同尺寸壓裂球，整個(gè)管柱即可實(shí)現(xiàn)全通徑，降低了大型壓裂的作業(yè)成本，利于后期生產(chǎn)管理；壓裂球和可復(fù)位球座不存在級(jí)差，可實(shí)現(xiàn)無(wú)限級(jí)壓裂。

(2)顯示動(dòng)力學(xué)分析表明，內(nèi)滑套運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的最大應(yīng)力為1 036 MPa，出現(xiàn)在上彈性爪筋板的根部，小于材料的許用應(yīng)力；當(dāng)壓裂球兩端壓差為70 MPa時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在球與球座接觸面上，為1 061 MPa，小于材料的許用應(yīng)力?？蓮?fù)位球座及內(nèi)滑套強(qiáng)度滿足壓裂施工要求。

(3)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)滑套啟動(dòng)壓力為7.6 MPa，滑套打開(kāi)壓力為12.6 MPa；內(nèi)滑套、開(kāi)關(guān)、彈簧及可復(fù)位球座動(dòng)作可靠，能完成預(yù)定動(dòng)作。