楊兆中,鐘鵬,易良平,雷騰蛟,劉成,李小剛

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,成都 610500;3.中國石油塔里木油田公司輪南采油氣管理區(qū),成都 610042;4.中國石油西南油氣田勘探事業(yè)部,成都 610041)

中國頁巖油氣、致密砂巖油氣等非常規(guī)油氣資源豐富,是未來化石能源的主戰(zhàn)場(chǎng),主要特點(diǎn)是源儲(chǔ)一體、持續(xù)聚集和連續(xù)分布。然而該類儲(chǔ)層具有低孔隙度、低滲透率等特性[1-6],巖石非常致密、橫向和縱向非均質(zhì)性強(qiáng)、開發(fā)難度大、自然產(chǎn)能低[7-11]。為了提高單井產(chǎn)能,必須采用大型水平井分段壓裂將有效儲(chǔ)集體充分打碎,對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行細(xì)分切割,形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò),增大縫網(wǎng)控制體積(stimulated reservoir volume,SRV)才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[12-18]。

目前非常規(guī)儲(chǔ)層水平井分段壓裂常用的分段方式主要有四類:可鉆式復(fù)合橋塞分段、可溶橋塞分段、裸眼封隔器+滑套分段和水力噴砂分段壓裂技術(shù)[19]。其中,可鉆式復(fù)合橋塞往往存在坐封不穩(wěn)、套管變形后鉆除風(fēng)險(xiǎn)大、損傷套管等缺點(diǎn)[20-21];可溶橋塞的溶解均勻性和溶解速度難以控制,可溶材料開發(fā)成本較大[22-23];裸眼封隔器分段的壓裂滑套僅能一次性開關(guān),噴砂口易被封堵,井筒的暢通性無法確保,且壓裂后無法進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試或其他二次作業(yè)[24-25];水力噴砂技術(shù)需多次反復(fù)提放管柱,施工周期長,同時(shí)射孔會(huì)對(duì)套管造成損傷、對(duì)儲(chǔ)層造成污染[26-27]。套管固井滑套分段壓裂是將壓裂滑套與套管一趟下入井內(nèi),完成常規(guī)固井后通過滑套啟閉壓裂通道的儲(chǔ)層改造技術(shù),它具有管內(nèi)摩阻小、施工壓力低、無需鉆磨作業(yè)、低成本高效率的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)分段技術(shù)相比,該應(yīng)用技術(shù)井壁穩(wěn)定性好,井控風(fēng)險(xiǎn)小;可對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行定點(diǎn)壓裂,改造針對(duì)性強(qiáng)[28-31]。此外,當(dāng)遇氣井產(chǎn)出水、出砂以及需要儲(chǔ)層重復(fù)性改造時(shí),可以有效對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行最大化開發(fā)[32-34]。

針對(duì)目前中外非常規(guī)儲(chǔ)層水平井開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀,概述了套管固井滑套分段壓裂工具分類及特點(diǎn),指出了其中的技術(shù)難點(diǎn)與潛在不足,分析了學(xué)者們提出的改進(jìn)與優(yōu)化方案,并對(duì)未來的新型固井滑套提出了發(fā)展建議,以期為國內(nèi)套管固井滑套工具研究與設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 常規(guī)投球憋壓式固井滑套

以Halliburton公司為代表的常規(guī)投球憋壓式固井滑套[35]結(jié)構(gòu)主要包括壓裂球、球座及剪釘,如圖1所示。其工藝原理是從井口投入不同尺寸的壓裂球,當(dāng)壓裂球到達(dá)相應(yīng)尺寸的球座位置時(shí),壓裂球與球座接觸密封,封隔上下井內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)憋壓,壓力達(dá)到一定值時(shí)剪釘破壞斷裂,球座下行動(dòng)作,露出外套的壓裂孔眼,壓裂通道開啟。該滑套具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無需下入工具管串,施工周期短、難度低等優(yōu)點(diǎn)。但其簡(jiǎn)單工藝背后存在以下技術(shù)缺陷:①壓裂球和球座存在尺寸約束,壓裂級(jí)數(shù)受限,目前最多可實(shí)現(xiàn)的壓裂段數(shù)僅為21段[36];②壓裂球需按照從小到大的順序投入,從下往上逐級(jí)壓裂,一旦錯(cuò)投入某一級(jí)壓裂球?qū)?huì)導(dǎo)致全段壓裂失敗;③壓裂球在碰壓過程中,存在壓裂球被壓縮直接穿過球座風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而導(dǎo)致滑套開啟失效;④采用下行開啟滑套方式,固井膠塞通過時(shí)存在提前打開滑套的風(fēng)險(xiǎn)[37];⑤壓裂后壓裂球難以有效返排,滯留井筒難以降解,球座的鉆磨銑作業(yè)將會(huì)損傷套管。

1為上接頭;2為套管;3為壓裂球;4為球座;5為剪釘;6為壓裂孔眼;7為下接頭圖1 常規(guī)投球憋壓式固井滑套Fig.1 Conventional pitching open cementing sliding sleeve

基于以上不足,學(xué)者們針對(duì)球座幾何形狀和材料提出了優(yōu)化改進(jìn)。段文廣等[38]提出了雙球座壓裂滑套,該結(jié)構(gòu)增加了同尺寸壓裂球的憋壓值,提高了滑套開啟成功率,提升同尺寸滑套可壓裂的級(jí)數(shù)。趙珩煜[39]設(shè)計(jì)了一球多簇壓裂滑套,該滑套能夠在投入一個(gè)壓裂球的情況下依次打開多個(gè)壓裂滑套,一次施工可以完成多點(diǎn)壓裂操作,大大減少了施工程序,有效降低施工成本。張熙雯等[40]以管內(nèi)不同臺(tái)階采用A、B球憋壓8～12 MPa,即可完成滑套啟閉動(dòng)作。劉運(yùn)樓等[41]采用粉末冶金法制造的可溶解壓裂球,耐溫可達(dá)150 ℃,抗壓強(qiáng)度可超過70 MPa。在 1%～3%KCl溶液中,一般溶解時(shí)間為10 d。谷磊[42]在現(xiàn)有可溶材料基礎(chǔ)上以鋁合金為基體,研發(fā)了高強(qiáng)復(fù)合可溶材料壓裂球座,承壓達(dá)到70 MPa,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液中球座在30 d內(nèi)完全溶解。可溶材料的研制,可以有效避免壓后鉆磨銑作業(yè),降低套管損傷。

投球憋壓式滑套已經(jīng)從傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化改進(jìn)轉(zhuǎn)變到以鎂鋁合金等為主的可溶材料研發(fā),可有效解決壓裂級(jí)數(shù)受限、鉆磨銑以及返排作業(yè)問題。但在壓裂結(jié)束后如遇需要控水、防砂以及調(diào)節(jié)開度節(jié)流時(shí),滑套難以關(guān)閉。應(yīng)對(duì)深層超深層井下高溫高壓復(fù)雜多變環(huán)境,球座承壓性、球座和壓裂球溶解速度及均勻性卻難以保證。因此,在未來研發(fā)機(jī)械性能好,可降解性能好的可溶材料的同時(shí),還需要對(duì)滑套本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)可關(guān)可閉。

2 變徑球座固井滑套

由于常規(guī)投球憋壓式固井滑套具有壓裂級(jí)數(shù)受尺寸的限制,無法實(shí)現(xiàn)井內(nèi)大通徑甚至全通徑的缺點(diǎn),以投球式滑套工藝原理為基礎(chǔ),發(fā)展了變徑球座固井滑套。

以Schlumberger公司的TAP(treat and produce)為代表的固井滑套結(jié)構(gòu)主要包括飛鏢和C形環(huán)工具,如圖2[43]所示。其工藝原理是液體壓力通過流道9傳到上一級(jí)TAP壓裂滑套的液壓腔,液壓腔的壓力增大,推動(dòng)壓差滑套向下移動(dòng)。壓差滑套擠壓C形環(huán)變形為O形,內(nèi)徑收縮形成球座,投入飛鏢與球座配合密封,井內(nèi)憋壓內(nèi)滑套下行,壓裂通道開啟。該滑套在中國蘇格里氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,具有無需下入工具管串,投入同一尺寸飛鏢即可完成多級(jí)壓裂優(yōu)點(diǎn)。相比于投球憋壓式滑套,無需電纜及連續(xù)油管鉆磨作業(yè),節(jié)省了施工時(shí)間,提高了工作效率。但是基于C形環(huán)變徑形成球座的液控管線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,球座的鎖定要求以及液控管線密封要求較高,球座的有效形成、可靠鎖定難以保證。此外,一旦某級(jí)滑套的液控管線發(fā)生支撐劑堵塞或者發(fā)生斷裂,后續(xù)的滑套將全部失效。

1為上接頭;2、9為流道;3為壓裂孔眼;4為內(nèi)滑套;5為銷釘;6為液壓腔;7為壓差滑套;8為C形環(huán)圖2 TAP固井滑套[43]Fig.2 TAP cementing slips[43]

針對(duì)液壓管線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,壓力傳遞系統(tǒng)不易控制等問題,趙傳偉等[44]借鑒I-ball[45-46]滑套結(jié)構(gòu)自主研制了計(jì)數(shù)式全通徑壓裂滑套,結(jié)構(gòu)如圖3[44]所示。該滑套只需設(shè)置多數(shù)量的環(huán)狀槽,即可實(shí)現(xiàn)多級(jí)滑套壓裂,且可保持井內(nèi)大通徑;同時(shí)根據(jù)投入的數(shù)量球,可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。姚本春[47]設(shè)計(jì)了一種新型電控滑套,主要原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓裂棒的變徑,拔爪突出與滑套本體活塞相互作用啟閉滑套。既能保證壓后井內(nèi)大通徑,又能實(shí)現(xiàn)滑套的反復(fù)啟閉。

1為上接頭;2為內(nèi)滑套;3為環(huán)狀槽6;4為環(huán)狀槽5;5為環(huán)狀槽4;6為環(huán)狀槽3;7為環(huán)狀槽2;8為環(huán)狀槽1;9為開關(guān);10為殼體;11為球座;12為支撐座;13為活塞;14為彈簧;15為下接頭;16為上卡爪;17為下卡爪;18為壓裂孔眼圖3 計(jì)數(shù)式全通徑固井滑套[44]Fig.3 Counting type full-diameter cementing slip[44]

以球座變徑為基礎(chǔ)的固井滑套存在液壓管線復(fù)雜、壓力傳遞控制困難的局限性,應(yīng)當(dāng)開拓逆向思維。以球座滑套為固定尺寸,壓裂球?yàn)樽儚匠叽?通過一球?qū)崿F(xiàn)多位置、任意位置滑套的啟閉。但此類滑套驅(qū)動(dòng)壓裂球變徑的電信號(hào)從井口長距離傳輸?shù)骄掠行砸约皦毫亚蚍磸?fù)變徑疲勞韌性難以保證。因此,長距離輸送、復(fù)雜環(huán)境下信息傳遞可靠性研究將是重點(diǎn)。

3 液壓式固井滑套

液壓式以BakerHughes公司的OptiPort固井滑套[48-49]為代表,結(jié)構(gòu)包括壓裂滑套和井下組合工具,如圖4[48-49]所示。其工藝原理是在常規(guī)固井后將連續(xù)管和封隔器工具下入井內(nèi),到達(dá)目的層段時(shí),向連續(xù)管內(nèi)打壓,膠筒壓縮,封隔器坐封。坐封后向連續(xù)管和套管形成的環(huán)形空間繼續(xù)打壓致使剪釘斷裂,內(nèi)滑套下行打開滑套,壓裂通道開啟。該滑套在中國東勝氣田杭錦旗區(qū)塊進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn),采用液壓開啟高效可靠且成本較低,保持井內(nèi)全通徑,可適用于套管井或裸眼井,滿足大排量、高砂比的壓裂工況。同時(shí)可通過連續(xù)管移動(dòng)工具管串到任一層段,實(shí)現(xiàn)選擇性壓裂。但是由于連續(xù)管自身長度限制,只能進(jìn)行有限級(jí)壓裂;其次,連續(xù)管管串連接工具較多,施工復(fù)雜,封隔器的坐封位置精度要求較高;此外,壓裂滑套無法反復(fù)啟閉,中后期無法進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)節(jié)。

1為上接頭;2為壓力激活孔;3為壓裂孔;4為內(nèi)滑套;5為剪切銷釘;6為外套筒;7為平衡壓力孔;8為下接頭圖4 OptiPort液壓式固井滑套[48-49]Fig.4 OptiPort hydraulic cementing slide sleeve[48-49]

針對(duì)以上的不足,許多祥[50]研究設(shè)計(jì)了一種微型液壓系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖5[50]所示。采用微型柱塞泵在滑套的左右環(huán)空形成壓差來啟閉壓裂通道,結(jié)構(gòu)緊湊,實(shí)現(xiàn)了固井滑套和微型液壓系統(tǒng)的共形集成。張銳峰等[51]設(shè)計(jì)了一種液壓可開關(guān)式固井滑套,利用壓差與限位銷釘對(duì)滑套的阻力關(guān)系,套管環(huán)空加壓滑套開啟,油管內(nèi)部加壓滑套關(guān)閉。利用該技術(shù)可以選擇性啟閉滑套,進(jìn)行選層選段壓裂投產(chǎn)。限位銷釘可以控制滑套開啟或關(guān)閉時(shí)所需的壓差,限位環(huán)可以防止滑套關(guān)閉時(shí)被過度關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)滑套的精確定位。

1為外套缸部;2為內(nèi)部滑套;3為壓裂孔眼;4為微型換向閥;5為微型泵;6為小型電機(jī)圖5 微型液壓系統(tǒng)控制固井滑套[50]Fig.5 Micro hydraulic systems control cementing slips[50]

4 機(jī)械開關(guān)式固井滑套

機(jī)械開關(guān)式固井滑套[52-53]主要結(jié)構(gòu)包括CT(coilshift precision)滑套和配套開關(guān)工具,如圖6、圖7所示。其工藝原理是利用連續(xù)油管或油管將配套機(jī)械開關(guān)工具下入到目標(biāo)滑套位置,向管內(nèi)憋壓,工具上的開關(guān)塊在壓力作用下向外徑向擴(kuò)張,與滑套的對(duì)應(yīng)臺(tái)肩配合,通過上提下放管柱實(shí)現(xiàn)滑套的啟閉。

1為上接頭;2為滑套本體;3為壓裂孔眼;4為滑套;5為下接頭圖6 CT滑套本體Fig.6 CT slip sleeve body

圖7 CT滑套機(jī)械開關(guān)工具Fig.7 Slide-sleeved mechanical switch tool

該滑套工具結(jié)構(gòu)及原理較為簡(jiǎn)單,壓裂級(jí)數(shù)不受限制,管柱內(nèi)全通徑,無需鉆除作業(yè),其采用上行打開方式,避免了固井膠塞下行提前打開滑套的風(fēng)險(xiǎn)[37]。相比投球打開式滑套,機(jī)械開關(guān)工具可實(shí)現(xiàn)滑套的反復(fù)啟閉,有利于滿足中后期油氣藏選擇性生產(chǎn)控制和重復(fù)壓裂增產(chǎn)改造的需要。但是施工過程中需多次起下管柱,施工周期較長。同時(shí)由于滑套的反復(fù)開關(guān),多次往復(fù)過孔高壓密封將降低密封件的壽命,造成滑套的鎖緊和限位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形、裂紋,降低開關(guān)滑套鎖定的可靠性以及穩(wěn)定性。

胡順渠等[54]基于“一把鑰匙開一把鎖”原理研制了一種可以滑套關(guān)閉及重復(fù)開啟的新型滑套,在川西地區(qū)共實(shí)施80口井,滑套開啟成功率達(dá)100%,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最高分段數(shù)已達(dá)30 級(jí)。羅建偉等[55]在此基礎(chǔ)上研制了無限級(jí)壓裂固井滑套及其配套的關(guān)閉工具,并進(jìn)行了有限元分析和測(cè)試,開關(guān)工具在不低于1 MPa的壓差下有效動(dòng)作完成固井滑套的啟閉。鐘富林[56]設(shè)計(jì)了一種用于固井滑套的儲(chǔ)能型V型組合密封結(jié)構(gòu),改進(jìn)了泛塞封唇部結(jié)構(gòu),由單唇結(jié)構(gòu)改為多唇結(jié)構(gòu),在滿足密封壓力條件下可實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)20次。楊德鍇等[57]、劉傳剛等[58]分析了彈性懸臂梁和卡簧鎖緊機(jī)構(gòu)。采用拉拔試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行多次開關(guān)工具的功能試驗(yàn),并在東勝氣田進(jìn)行了2口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,可以順利多次反復(fù)滑套啟閉功能。

固井滑套已然從單向打開過度到了可往復(fù)啟閉,逐漸朝著選擇性壓裂、交替壓裂、重復(fù)壓裂方向。為有效解決壓裂級(jí)數(shù)受限,在開關(guān)結(jié)構(gòu)上遵循多維度變換﹑機(jī)械式唯一性匹配,多層次排列組合原則增加壓裂級(jí)數(shù)。此外,此類滑套對(duì)于液壓系統(tǒng)的密封性能與壽命、傳感器的精度、動(dòng)力源的壽命要求高。因此,固井滑套相關(guān)配套工具,如保護(hù)型組合密封圈結(jié)構(gòu)、密封件材料、鎖緊定位結(jié)構(gòu)的高壽命性能的升級(jí)研究將是重點(diǎn)。

5 智能控制新型固井滑套

隨著技術(shù)的不斷提高,智慧油田模式不斷發(fā)展,信息化技術(shù)與傳統(tǒng)油田生產(chǎn)工業(yè)密切結(jié)合,引入RFID(radio frequency identification)無線射頻技術(shù)運(yùn)用于滑套。RFID技術(shù)具有非接觸式信息傳遞的特點(diǎn),可解決現(xiàn)有固井滑套的技術(shù)瓶頸。近年來,中外開展了RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)以及壓力脈沖技術(shù)研究,通過非接觸式信息傳遞可實(shí)現(xiàn)管柱全通徑、開關(guān)狀態(tài)隨時(shí)可控、井下無限級(jí)數(shù)的壓裂[59-61]。

5.1 RFID無線射頻控制固井滑套

RFID無線射頻固井滑套結(jié)構(gòu)主要包括電子標(biāo)簽、天線、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、讀寫器,如圖8、圖9所示。其工藝原理是利用射頻信號(hào)或電磁/電感耦合,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的識(shí)別與傳遞。當(dāng)需要開啟或關(guān)閉某層滑套時(shí),通過地面投入相應(yīng)電子標(biāo)簽,控制讀寫器通過天線發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào),當(dāng)標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)進(jìn)入天線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)內(nèi)因產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而獲得能量并發(fā)送自身所攜帶的編碼信息,天線接收后傳遞給讀寫器,讀寫器將信息進(jìn)行解碼,傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng),輸出命令控制滑套動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)壓裂通道的啟閉。該滑套工具利用射頻信號(hào)控制滑套開閉更加自動(dòng)化,智能化。工具結(jié)構(gòu)無級(jí)差,可實(shí)現(xiàn)管柱全通徑。施工工藝簡(jiǎn)單,無需下入工具管串,節(jié)約了施工時(shí)間。利用不同編碼的標(biāo)簽識(shí)別不同滑套,可實(shí)現(xiàn)選擇性壓裂作業(yè)。但是井下用大扭矩空心軸電機(jī)制造困難,讀寫器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要配套高性能高壽命的供電系統(tǒng),電子標(biāo)簽和天線高溫高壓條件下封裝性能不強(qiáng),高速泵送條件下的信號(hào)讀取有效率不高。

圖8 RFID系統(tǒng)工作原理流程圖Fig.8 Flowchart of the working principle of the RFID system

1為上接頭;2為天線;3為外套筒;4為壓力傳感器;5為電控區(qū)域;6為電池區(qū)域;7為電機(jī);8為傳動(dòng)機(jī)構(gòu);9為內(nèi)滑套;10為密封圈;11為壓裂孔眼;12為中心管;13為下接頭圖9 RFID無線射頻控制固井滑套Fig.9 RFID RF controlled cementing slip sleeve

侯朝中[62]分析了RFID標(biāo)簽的封裝形狀對(duì)讀取性能的影響,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)形式的封裝,所封裝的標(biāo)簽?zāi)軌驖M足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。最后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)讀取性能進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)表明在泥漿液中標(biāo)簽以5 m/s的速度通過天線時(shí),系統(tǒng)可以讀取到標(biāo)簽信息并能控制電磁閥動(dòng)作。文獻(xiàn)[63-65]對(duì)RFID智能滑套內(nèi)如何提高標(biāo)簽識(shí)別率開展了相關(guān)研究,并通過MATLAB仿真分析了天線參數(shù)對(duì)信號(hào)識(shí)別率的影響,設(shè)計(jì)了一套基于RFID智能滑套的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)方案,驗(yàn)證了采用RFID技術(shù)的壓裂滑套控制系統(tǒng)的可靠性與高效性,對(duì)提高智能滑套R(shí)FID標(biāo)簽識(shí)別率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5.2 壓力脈沖控制固井滑套

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)情況,避免RFID電子標(biāo)簽激活失效,提出了改進(jìn)的RFID的固井滑套,其結(jié)構(gòu)主要包括液壓管線、電磁閥、壓力傳感器,如圖10所示。其工藝原理通過設(shè)置不同的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)和時(shí)間間隔的寬度,壓力脈沖作為信號(hào)來識(shí)別不同位置的滑套。當(dāng)需要開啟或關(guān)閉某層滑套時(shí),通過分別向液壓管線1和液壓管線2發(fā)送壓力脈沖信號(hào),壓力傳感器識(shí)別信號(hào)后進(jìn)行解碼,控制電磁閥1、2開啟,向管線1內(nèi)打入壓力,可控制滑套開啟;向管線2內(nèi)打入壓力,可控制滑套關(guān)閉。

1為上接頭;2為液壓管線1;3為電控區(qū)域;4為外套筒;5為壓力傳感器;6為電磁閥1;7為中心管;8為內(nèi)滑套;9為密封圈;10為下接頭;11為液壓管線2;12為電磁閥2圖10 壓力脈沖控制固井滑套Fig.10 Pressure pulse control cementing sliding sleeve

該滑套工具與BakerHughes公司的多位置可調(diào)液壓閥(multi-position adjustable hydraulic choke,HCM)套管滑套[66]結(jié)構(gòu)上相似,從地面通過液壓管線向滑套系統(tǒng)內(nèi)打壓,通過發(fā)送脈沖信號(hào)傳遞給傳感器控制電磁閥啟閉壓力通道。該工藝技術(shù)控制較易,滿足井內(nèi)全通徑,壓裂級(jí)數(shù)不受限制。但是液壓管線布置較復(fù)雜,管串制造加工困難,壓力脈沖信號(hào)從地面到井下因發(fā)生衰減導(dǎo)致信號(hào)不可靠。此外,井下電子元器件和電磁閥長期耐壓性、耐溫性、穩(wěn)定性難以保證。

智能壓裂滑套已從機(jī)械識(shí)別轉(zhuǎn)向智能信號(hào)識(shí)別,可實(shí)現(xiàn)井下全通徑、選擇性壓裂生產(chǎn)作業(yè)。主要問題在于入井信號(hào)從識(shí)別到控制滑套動(dòng)作之間的有效轉(zhuǎn)變和可靠控制,信號(hào)識(shí)別率不高,滑套動(dòng)作系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜。在面對(duì)深層超深層井下高溫高壓復(fù)雜環(huán)境下,長距離傳輸信號(hào)的可靠傳遞、有效識(shí)別,配套的動(dòng)力器件有效時(shí)長難以保證。因此,通信技術(shù)、信號(hào)中間轉(zhuǎn)換器的革新研究將是重點(diǎn)。

6 各類固井滑套性能特點(diǎn)對(duì)比

套管固井滑套分段壓裂技術(shù)作為非常規(guī)油氣儲(chǔ)層分段壓裂改造的新興技術(shù),Halliburton、BakerHughes、Schlumberger等公司對(duì)固井滑套工具研究比較成熟和全面,大多數(shù)固井滑套工具實(shí)現(xiàn)了油氣田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。中國在這方面的研究仍處于探索與研發(fā)階段,技術(shù)尚未成熟,難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用。現(xiàn)將各類固井滑套性能特征對(duì)比分析如表1所示。

表1 各類固井滑套性能特征對(duì)比Table 1 Comparison of performance characteristics of various cementing sliding sleeves

7 結(jié)論及建議

隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入,低滲致密儲(chǔ)層水平井分段壓裂改造技術(shù)要求不斷提高,固井滑套分段壓裂完井技術(shù)未來將會(huì)更加廣泛的被油田需要和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。固井滑套具有管內(nèi)摩阻小、施工壓力低、低成本高效率等優(yōu)點(diǎn),但應(yīng)用實(shí)踐中仍然存在多級(jí)壓裂分段不足、儲(chǔ)層改造體積小;部分滑套啟閉失效、壓裂及生產(chǎn)作業(yè)失敗造成最終采收率(estimated ultimate recovery,EUR)不理想。固井滑套是一個(gè)多而復(fù)雜的壓裂系統(tǒng),在高溫高壓環(huán)境下信號(hào)傳遞可靠性較差,滑套本體往復(fù)開關(guān)功能不易保證,相匹配的功能件壽命、穩(wěn)定及精度差。其研制與實(shí)踐應(yīng)用涵蓋了機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)、通信、人工智能等學(xué)科,需要多學(xué)科知識(shí)交叉綜合應(yīng)用。智慧油田以智能壓裂技術(shù)為中心,壓裂施工中所需的精準(zhǔn)性與高效性離不開智能響應(yīng)與智能控制。因此,未來以智能固井滑套為重點(diǎn)的研究需要融合多個(gè)方面,現(xiàn)對(duì)未來的發(fā)展方向提出如下建議。

(1)以有效打開、可靠關(guān)嚴(yán)為前提,以實(shí)現(xiàn)井內(nèi)全通徑、無限級(jí)、反復(fù)啟閉為目標(biāo),對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)可變徑固井滑套,結(jié)合信號(hào)識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、智能控制開啟變徑結(jié)構(gòu)的滑套。

(2)繼續(xù)加大可溶材料的攻關(guān),調(diào)配不同溫度、不同壓力、不同溶液環(huán)境下可降解材料的配方,研制耐沖蝕性能強(qiáng),承壓強(qiáng)度可靠,溶解時(shí)間可控的壓裂球與滑套。

(3)固井滑套壓裂系統(tǒng)具有多而復(fù)雜特點(diǎn),不僅需要研究固井滑套本體結(jié)構(gòu),而且需要同步研發(fā)相關(guān)配套工具,如高性能動(dòng)力源、高精度傳感器、高壽命密封件等。

(4)針對(duì)信號(hào)傳輸與識(shí)別問題,引入長距離傳輸高新通信技術(shù),如5G通信、無線WIFI技術(shù)。增加信號(hào)傳輸距離,研發(fā)高性能儲(chǔ)存器、中繼器等信號(hào)傳遞和轉(zhuǎn)換的中間器件。