朱和明

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

水平井多級滑套裸眼分段壓裂技術(shù)是近年來油氣井工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速的一項(xiàng)完井技術(shù)，采用預(yù)制管柱施工、一次下入、連續(xù)投球作業(yè)的方式，具有施工方便、可靠性高、節(jié)約施工時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于頁巖氣和低滲透產(chǎn)層的定向井、水平井的壓裂增產(chǎn)改造[1-5]。隨著該技術(shù)在國內(nèi)外各油田大規(guī)模的推廣應(yīng)用，其后續(xù)儲層改造困難的技術(shù)難題也逐漸暴露出來，即受管柱內(nèi)各級滑套球座的限制，當(dāng)油氣井產(chǎn)層出水時(shí)，無法下入工具進(jìn)行堵水作業(yè)，也無法對儲層進(jìn)行重復(fù)性改造作業(yè)，從而限制了對儲層的最大化開發(fā)[6]。

可開關(guān)壓裂滑套是針對常規(guī)投球壓裂滑套存在的后續(xù)儲層改造困難的難題，研發(fā)的一種新型分段壓裂工具。相比常規(guī)投球滑套，該種滑套具備反復(fù)開關(guān)性能，可在壓裂后期，根據(jù)儲層改造需要，將滑套內(nèi)部球座鉆除后，下入開關(guān)工具對滑套進(jìn)行關(guān)閉或者打開作業(yè)，滿足后期堵水、重復(fù)性壓裂等二次改造作業(yè)需求，從而大幅度提高儲層動用程度。鑒于可開關(guān)壓裂滑套的井下開關(guān)性能是能否順利實(shí)現(xiàn)后期儲層改造的關(guān)鍵，本文開展了球座高壓密封及耐沖蝕技術(shù)、反復(fù)過孔高壓密封技術(shù)、滑套鎖緊限位技術(shù)、開關(guān)工具定壓節(jié)流啟動技術(shù)、開關(guān)顯示技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，并進(jìn)行了可開關(guān)壓裂滑套的入井模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了可開關(guān)壓裂滑套井下反復(fù)開關(guān)性能。試驗(yàn)證明，通過連續(xù)油管可以順利完成滑套開關(guān)作業(yè)，開關(guān)工具定位準(zhǔn)確，開關(guān)動作地面顯示明顯，反復(fù)開關(guān)作業(yè)后滑套依然能夠?qū)崿F(xiàn)高壓密封，滿足了可開關(guān)壓裂滑套現(xiàn)場作業(yè)需求。

1 技術(shù)方案

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1.1 可開關(guān)壓裂滑套

可開關(guān)壓裂滑套的結(jié)構(gòu)如圖1所示?；撞扇⊥肚驂毫︱?qū)動打開方式，即施加液壓力使得內(nèi)套下行，進(jìn)而打開泄流孔，進(jìn)行壓裂作業(yè)。球座采用易鉆金屬材料，通過在材料表面進(jìn)行硬化處理，使其具備良好的耐沖蝕性能。在壓裂作業(yè)完成后，可以快速鉆除球座，從而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)的全通徑。內(nèi)套兩側(cè)有開關(guān)臺肩，可以與開關(guān)工具配合鎖緊，進(jìn)而拖動內(nèi)套上下移動，實(shí)現(xiàn)滑套的打開與關(guān)閉。

1—上接頭；2—內(nèi)套；3—球座；4—本體；5—下接頭。

1.1.2 開關(guān)工具

開關(guān)工具主要由本體、鎖塊、液缸和節(jié)流閥等組成，如圖2所示。鎖塊在液缸弓形片的作用下，處于收縮狀態(tài)。當(dāng)管內(nèi)存在一定壓力情況下，液缸在液壓推動下向兩側(cè)運(yùn)動，壓縮彈簧，鎖塊彈出，從而與滑套的開關(guān)臺肩配合，實(shí)現(xiàn)滑套開關(guān)作業(yè)。節(jié)流閥與下接頭連接，可在一定循環(huán)排量情況下提供鎖塊漲開所需的節(jié)流壓差。

1—液缸；2—鎖塊；3—本體；4—節(jié)流閥。

1.2 主要技術(shù)要求

1) 可開關(guān)壓裂滑套在井下進(jìn)行開關(guān)作業(yè)時(shí)，其密封機(jī)構(gòu)反復(fù)高速經(jīng)過壓裂孔，要求密封機(jī)構(gòu)必須具備良好的反復(fù)過孔密封性能，確?；自陉P(guān)閉后的高承壓能力。

2) 在大排量高砂比壓裂作業(yè)條件下，可開關(guān)壓裂滑套內(nèi)部易鉆球座及壓裂孔需要具備良好的耐沖蝕性能，以滿足作業(yè)過程中的投球壓裂及關(guān)閉后的高壓密封性能。

3) 提供一種簡單可靠的鎖緊限位機(jī)構(gòu)，使得可開關(guān)壓裂滑套在井下沒有進(jìn)行開關(guān)作業(yè)時(shí)能夠保持打開或關(guān)閉狀態(tài)。

4) 配套的開關(guān)工具可以對井下任意可開關(guān)壓裂滑套進(jìn)行打開和關(guān)閉作業(yè)，其開關(guān)機(jī)構(gòu)與可開關(guān)壓裂滑套的配合機(jī)構(gòu)具有可靠的鎖定和解鎖能力。

5) 可開關(guān)壓裂滑套在進(jìn)行開關(guān)作業(yè)時(shí)，需要通過地面顯示參數(shù)來判斷滑套是否已經(jīng)完成相應(yīng)的開關(guān)作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 反復(fù)過孔密封技術(shù)

可開關(guān)壓裂滑套不同于常規(guī)投球滑套，其在首次投球打開滑套進(jìn)行壓裂作業(yè)后，由于其后期滑套再次開關(guān)作業(yè)的技術(shù)要求，需要滑套內(nèi)部的密封件具備良好的反復(fù)過孔密封性能，即滑套密封件經(jīng)過壓裂孔時(shí)能夠保持完好，這樣才能保證滑套在關(guān)閉后仍具備高壓密封能力。常規(guī)投球滑套密封件多采用O形密封圈，這種密封件可以很好地滿足滑套的靜態(tài)高承壓密封需求。但是，可開關(guān)壓裂滑套在進(jìn)行投球打開作業(yè)時(shí)，在管內(nèi)液體巨大推力作用下，可開關(guān)壓裂滑套的內(nèi)套帶動O形密封圈高速通過壓裂孔，極易出現(xiàn)密封圈損傷或者剪斷情況。

針對這種情況，可開關(guān)壓裂滑套采用了一種新型的組合式密封結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該密封組件由V形密封圈、O形密封圈、支撐環(huán)和壓環(huán)組成，V形密封圈在使用耐高溫氟橡膠的基礎(chǔ)上加入了一定量的夾織物，使其在具備耐高溫性能的基礎(chǔ)上仍具有較好的強(qiáng)度和耐磨性，且雙向兩組V形密封圈能夠?qū)形密封圈形成更好的保護(hù)。支撐環(huán)和壓環(huán)采用特殊金屬材質(zhì)，其通過與V形密封圈和O形密封圈的配合裝配，實(shí)現(xiàn)對兩種密封圈的擠壓保護(hù)。該結(jié)構(gòu)的密封組件使得可開關(guān)壓裂滑套具有高壓、滑動密封性能。

1—支撐環(huán)；2—V形密封圈；3—O形密封圈；4—壓環(huán)。

2.2 工具耐沖蝕技術(shù)

壓裂作業(yè)的顯著特點(diǎn)就是排量大、砂比高，因此可開關(guān)壓裂滑套的沖蝕部件必須具備良好的耐沖蝕性能?；椎臎_蝕部件以球座與滑套內(nèi)套為代表，其均為壓裂液過流通道，在施工過程中，均面臨壓裂液及其攜帶的石英砂的高速沖蝕。如果球座及內(nèi)套沖蝕磨損情況嚴(yán)重，將會直接影響滑套的投球開啟及后期開關(guān)后的高壓密封。因此，針對滑套球座及內(nèi)套的耐沖蝕性能需求，通過FLUENT軟件對球座和內(nèi)套進(jìn)行了沖蝕仿真分析，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而降低沖蝕磨損程度。圖4為球座沖蝕磨損情況，可以看出，經(jīng)過優(yōu)化的球座其沖蝕最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榍蜃鶅?nèi)壁中部，其前部的弧形密封面沖蝕情況較輕，這樣確保了憋壓球可以與球座正常配合，從而順利憋壓打開滑套。圖5為內(nèi)套的沖蝕磨損情況，可以看出，內(nèi)套沖蝕最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)閴毫芽滋帯?/p>

圖4 球座沖蝕率分布

圖5 可開關(guān)壓裂滑套內(nèi)套沖蝕率分布

由于可開關(guān)壓裂滑套后期存在關(guān)閉的作業(yè)需求，若其壓裂孔在壓裂過程中沖蝕磨損情況嚴(yán)重，則會造成滑套再次關(guān)閉后不密封的情況。為了增強(qiáng)其壓裂孔處耐沖蝕性能，對沖蝕磨損嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行了表面硬化處理，增強(qiáng)表面硬度，提高耐沖蝕性能。對滑套進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，排量6.2 m3/min，平均砂比達(dá)到24.6%，沖蝕時(shí)間6 h，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6a為沒有經(jīng)過硬化處理的壓裂孔沖蝕6 h后的情況，其壓裂孔眼磨損較為嚴(yán)重，沖蝕磨損主要在孔眼長度方向。圖6b為經(jīng)過硬化處理的壓裂孔眼沖蝕6 h后的情況，可以看出其沖蝕情況輕微，基本沒有沖蝕磨損情況，這說明對滑套的關(guān)鍵沖蝕區(qū)域進(jìn)行表面硬化處理，可以有效提高其耐沖蝕性能。

a 沒有經(jīng)過表面硬化處理

b 經(jīng)過表面硬化處理

2.3 鎖緊限位技術(shù)

可開關(guān)壓裂滑套在井下時(shí)處于打開或關(guān)閉狀態(tài)。在下入開關(guān)工具對可開關(guān)壓裂滑套進(jìn)行開關(guān)作業(yè)前，需要一種鎖緊限位機(jī)構(gòu)，對可開關(guān)壓裂滑套的內(nèi)套進(jìn)行鎖緊和限位，確保可開關(guān)壓裂滑套在井下一直保持當(dāng)前狀態(tài)，防止因井內(nèi)流體或其他作業(yè)管柱刮擦等因素造成的可開關(guān)壓裂滑套開關(guān)狀態(tài)改變。該鎖緊限位機(jī)構(gòu)只能在開關(guān)工具施加給可開關(guān)壓裂滑套的內(nèi)套一定的軸向載荷時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)解鎖，內(nèi)套產(chǎn)生相對運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可開關(guān)壓裂滑套開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

目前，國外對于可開關(guān)壓裂滑套的鎖緊定位多采取的是彈性懸臂梁和鎖緊卡簧機(jī)構(gòu)。彈性懸臂梁鎖緊定位機(jī)構(gòu)(如圖7所示)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，割縫處容易進(jìn)砂，導(dǎo)致解鎖載荷增加?？砷_關(guān)壓裂滑套采用了卡簧式鎖緊定位機(jī)構(gòu)(如圖8所示)，在內(nèi)套外表面設(shè)計(jì)一種鎖緊限位卡簧，卡簧與滑套內(nèi)部凹槽配合時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖緊。加載一定軸向載荷后卡簧從凹槽內(nèi)脫出，實(shí)現(xiàn)解鎖。相比于彈性懸臂梁鎖緊機(jī)構(gòu)，卡簧式鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。在卡簧兩側(cè)裝配密封圈，可有效避免因加砂壓裂而造成的砂子在卡簧處的堵塞，保證了作業(yè)的安全可靠性。

圖7 彈性懸臂梁鎖緊機(jī)構(gòu)

圖8 限位卡簧

鎖緊載荷的大小及載荷穩(wěn)定性也是能否順利實(shí)現(xiàn)滑套開關(guān)的關(guān)鍵因素。在鎖緊載荷的選擇上需要充分考慮現(xiàn)場作業(yè)的實(shí)際情況。由于可開關(guān)壓裂滑套的后期開關(guān)作業(yè)多采用連續(xù)油管進(jìn)行作業(yè)，且滑套位于水平井段，下壓載荷受到一定限制，鎖緊載荷不易過大，但在滑套上提關(guān)閉時(shí)，為便于地面判斷，鎖緊載荷又不易過小。因此，對卡簧式鎖緊機(jī)構(gòu)的上提、下放載荷進(jìn)行了差異化設(shè)計(jì)，即，同一個(gè)卡簧式鎖緊機(jī)構(gòu)，其上提和下放的載荷是顯著不同的。因?yàn)榭ɑ墒芥i緊機(jī)構(gòu)鎖緊力的大小主要與卡簧的材質(zhì)、外徑、厚度、寬度和鎖定角等參數(shù)有關(guān)。其中，卡簧寬度L和鎖定角θ對鎖緊力大小的影響最大。本文采用特殊的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了不同卡簧寬度、鎖定角度和材料熱處理工藝下的卡簧鎖緊力測試，其結(jié)果如表1所示，通過對卡簧結(jié)構(gòu)和熱處理工藝的優(yōu)化，最終獲取了理想的卡簧式鎖緊機(jī)構(gòu)，其上提關(guān)閉鎖緊載荷為34～40 kN，而下壓打開鎖緊載荷為10～15 kN。在反復(fù)開關(guān)10次過程中，鎖緊載荷變化幅度<10%，具有良好的穩(wěn)定性。

表1 卡簧鎖緊力測試數(shù)據(jù)

2.4 定壓節(jié)流啟動技術(shù)

開關(guān)工具在井下通過其鎖塊的漲開來實(shí)現(xiàn)與可開關(guān)壓裂滑套的開關(guān)機(jī)構(gòu)鎖定。開關(guān)工具采用的是定壓節(jié)流啟動技術(shù)，即，不需要其他作業(yè)設(shè)備，只需在管內(nèi)注入一定流量的流體，流體經(jīng)過開關(guān)工具下端節(jié)流閥時(shí)，產(chǎn)生一定節(jié)流壓力，使鎖塊動作，實(shí)現(xiàn)鎖定。圖9為不同排量所產(chǎn)生的節(jié)流壓差曲線。當(dāng)節(jié)流壓力超過設(shè)計(jì)壓力后，開關(guān)工具的液缸在推力作用下產(chǎn)生移動，如圖10所示，鎖塊在彈簧作用下漲開，并與可開關(guān)壓裂滑套的開關(guān)機(jī)構(gòu)鎖定，此時(shí)可通過上提或下放一定載荷，即可實(shí)現(xiàn)可開關(guān)壓裂滑套的開關(guān)作業(yè)。當(dāng)?shù)孛嫱１脮r(shí)，管內(nèi)壓力消失，液缸在彈簧的作用下恢復(fù)原位，并壓縮鎖塊，鎖塊收縮，與滑套脫離。

圖9 排量與節(jié)流壓差曲線

圖10 開關(guān)工具鎖塊漲開示意

2.5 開關(guān)顯示技術(shù)

可開關(guān)壓裂滑套在井下進(jìn)行開關(guān)作業(yè)，需要通過連續(xù)油管或油管將開關(guān)工具下放至井下特定滑套位置，待開關(guān)工具與可開關(guān)壓裂滑套的開關(guān)機(jī)構(gòu)配合鎖定后，通過上提、下放管柱，實(shí)現(xiàn)可開關(guān)壓裂滑套的關(guān)閉與打開。由于可開關(guān)壓裂滑套在井下數(shù)千米位置，如何通過地面顯示數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確判斷可開關(guān)壓裂滑套是否已完成開關(guān)動作是關(guān)鍵技術(shù)之一。本文設(shè)計(jì)的可開關(guān)壓裂滑套通過限位卡簧解鎖載荷的優(yōu)化，及滑套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得可開關(guān)壓裂滑套在關(guān)閉和打開時(shí)均有明顯的規(guī)律，可以據(jù)此在地面顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，作為判斷可開關(guān)壓裂滑套開關(guān)狀態(tài)的依據(jù)。

1) 滑套關(guān)閉狀態(tài)顯示。

當(dāng)開關(guān)工具與可開關(guān)壓裂滑套掛載后，只需上提連續(xù)油管，施加一定載荷后，限位卡簧從滑套卡簧槽內(nèi)脫離，內(nèi)套相對于滑套發(fā)生移動，進(jìn)而將可開關(guān)壓裂滑套關(guān)閉。由于連續(xù)油管上提可以允許較大載荷，為了地面能正確判斷限位卡簧是否脫離卡簧槽，將限位卡簧的上提解鎖載荷設(shè)計(jì)為34～40 kN，這樣卡簧脫離時(shí)地面可以通過連續(xù)油管的懸重變化而做出準(zhǔn)確判斷，如圖11所示。

圖11 滑套關(guān)閉各階段設(shè)計(jì)曲線顯示

2) 滑套打開狀態(tài)顯示。

進(jìn)行可開關(guān)壓裂滑套打開作業(yè)，需要開關(guān)工具與可開關(guān)壓裂滑套掛載后，下壓一定載荷，使得限位卡簧從滑套卡簧槽內(nèi)脫離，內(nèi)套相對滑套發(fā)生移動，進(jìn)而將可開關(guān)壓裂滑套再次打開。受連續(xù)油管自身重力限制，連續(xù)油管的下壓載荷有限，為了使得限位卡簧可以順利解鎖，將限位卡簧的下壓解鎖載荷設(shè)計(jì)為10～15 kN。由于此載荷較小，在實(shí)際操作過程中，地面顯示可能無法做到及時(shí)觀察。本文設(shè)計(jì)的可開關(guān)壓裂滑套在限位卡簧解鎖時(shí)，內(nèi)套繼續(xù)下行并打開可開關(guān)壓裂滑套后，開關(guān)工具并不能與滑套脫離，因此，持續(xù)附加一定下壓載荷，確?；状蜷_到位，如圖12所示。

3 模擬試驗(yàn)

可開關(guān)壓裂滑套在完成一系列地面性能試驗(yàn)后，在中石化沙河試驗(yàn)井進(jìn)行了入井模擬試驗(yàn)，測試可開關(guān)壓裂滑套的投球打開、球座磨銑及機(jī)械開關(guān)等方面的性能。試驗(yàn)井如圖13所示，井深1 545 m，水平段長200 m。此次試驗(yàn)共計(jì)下入可開關(guān)壓裂滑套5套，最大下深1 525 m?？砷_關(guān)壓裂滑套入井后，逐級投球打開滑套，滑套實(shí)際打開壓力19～21 MPa，使用連續(xù)油管下入磨銑管柱，逐級磨銑各級球座。

圖12 滑套關(guān)閉各階段設(shè)計(jì)曲線顯示

圖13 試驗(yàn)井井筒軌跡

球座磨銑完畢后，使用50.8 mm(2 英寸)連續(xù)油管下入開關(guān)工具，對井下各級滑套進(jìn)行反復(fù)開關(guān)作業(yè)，每個(gè)滑套均反復(fù)開關(guān)3次。

通過對各級可開關(guān)壓裂滑套進(jìn)行反復(fù)開關(guān)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)工具在管內(nèi)維持設(shè)計(jì)壓力情況下均能與滑套完成鎖定，順利完成可開關(guān)壓裂滑套的關(guān)閉與打開作業(yè)?？砷_關(guān)壓裂滑套在開關(guān)作業(yè)過程中，連續(xù)油管懸重變化非常明顯，可以據(jù)此判斷可開關(guān)壓裂滑套是否已經(jīng)完成開關(guān)作業(yè)?？砷_關(guān)壓裂滑套出井后，對各級可開關(guān)壓裂滑套進(jìn)行70 MPa試壓，密封良好，檢驗(yàn)了滑套在反復(fù)開關(guān)后的密封性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖14～15所示。

圖14 可開關(guān)壓裂滑套關(guān)閉過程的顯示數(shù)據(jù)

圖15 可開關(guān)壓裂滑套打開過程的顯示數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

可開關(guān)壓裂滑套在完成多次地面試驗(yàn)之后，在華北鄂爾多斯盆地大牛地氣田及東勝氣田成功應(yīng)用20多井次，滑套打開成功率100%。在滿足了上述區(qū)塊水平井儲層分段改造的同時(shí)，也為儲層的后期堵水、重復(fù)性壓裂創(chuàng)造了良好的井筒條件。

以X429井為例。該井為生產(chǎn)水平井，完鉆井深4 483 m，水平段長1 000 m，生產(chǎn)層位為盒1段，屬低孔、低滲儲集巖。為有效提高采收率，采用多級滑套壓裂工藝進(jìn)行完井，共分10段進(jìn)行壓裂施工。管柱順利下入，后期壓裂施工，入井總液量為3 530.4 m3，總砂量460 m3,最大施工壓力為61 MPa，可開關(guān)壓裂滑套均打開明顯。

5 結(jié)論

1) 通過關(guān)鍵技術(shù)研究，即，可開關(guān)壓裂滑套反復(fù)過孔密封技術(shù)、鎖緊限位技術(shù)、開關(guān)顯示技術(shù)和井下安全技術(shù)等，使得可開關(guān)壓裂滑套的性能得到大幅度提高，滿足現(xiàn)場使用需求。

2) 通過可開關(guān)壓裂滑套綜合入井模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了可開關(guān)壓裂滑套的各方面性能。在投球打開和球座鉆除后，可通過連續(xù)油管順利實(shí)現(xiàn)可開關(guān)壓裂滑套的反復(fù)開關(guān)作業(yè)，開關(guān)工具與滑套掛載正常，打開、關(guān)閉顯示明顯，反復(fù)開關(guān)作業(yè)后仍能實(shí)現(xiàn)高壓密封。

3) 目前，可開關(guān)壓裂滑套已經(jīng)在鄂爾多斯盆地致密砂巖開發(fā)中進(jìn)行了大量應(yīng)用。由于現(xiàn)場使用實(shí)際需求，只進(jìn)行了滑套的打開壓裂和球座磨銑，還沒有進(jìn)行滑套的開關(guān)作業(yè)。建議對已施工的井進(jìn)行跟蹤，在低產(chǎn)、低效井進(jìn)行可開關(guān)壓裂滑套的開關(guān)作業(yè)及儲層二次改造作業(yè)。