全通徑無級滑套研制及應用

胡順渠， 戚 斌， 侯治民， 劉 濤

(中石化西南油氣分公司石油工程技術研究院)

中國致密油氣藏資源儲量巨大，致密巖油資源量為146.6×108t、致密氣資源量為32.9×1012m3，其中致密油可采資源量為13×108～14×108t、致密氣可采資源量為8.8×1012～12.1×1012，預計2020年產油2000×104t，產氣(600～700)×108m3[1-2]，致密油氣在能源戰略部署中的地位日益凸顯，但受儲集空間致密、非均質性強、含油氣飽和度差等諸多不利因素影響，開采難度大，需要更多的分段數來動用儲量和釋放產能[3-4]。近年來，水平井多級分段壓裂發展為非常規油氣藏有效開發的主要手段[5-9]。壓裂滑套是水平井分段壓裂工具的核心部件之一，是影響水平井壓裂分段數量的關鍵所在。國內常用投球滑套能實現的級數受限，分段數有限，建成高產井難度大；流動通道不足，裂縫未波及區域多，常規工藝壓裂井仍具有較大剩余儲量和壓力，存在資源浪費。國外泵送橋塞、連油拖動壓裂等技術可滿足級數要求，但存在壓裂施工不連續、作業時間長、需動管柱作業等局限，需要一種作業更便捷、功能更強大的水平井分段壓裂工具[10-14]。筆者研發了一種全新的全通徑無級滑套工具系統，包括全通徑無級滑套及匹配的滑套關閉工具、重復開啟工具，可同時實現不限級、全通徑、可開關、不動管柱作業等功能，不僅填補國內在該領域的空白，并較國外同類技術具有明顯技術優勢，已實現了規模應用，可助力低滲致密油氣藏高效開發。

一、全通徑無級滑套結構原理及特點

1．全通徑無級滑套結構原理

突破了常規滑套通過球與球座直徑逐級縮小、單參數分級的設計局限，提出了“多維度描述、立體式變換、機械式嚙合、唯一性匹配”的滑套設計新理念，基于“一把鑰匙開一把鎖”原理，顯著增加了有限空間內設計出匹配組件互不相同的滑套數量，研發出一種新型全通徑無級滑套。如圖1所示，該工具主要由滑套本體、開啟工具、密封球等組成。其中滑套本體帶編碼記錄單元、彈力限位件、選位槽等結構，開啟工具具凸臺、復合彈片-多功能球籠結構特征，密封球可采用可溶球。

圖1 全通徑無級滑套結構示意圖

全通徑無級滑套壓裂管柱結構為：油管+全通徑無級滑套n+封隔器n+……+全通徑無級滑套2+封隔器2+全通徑無級滑套1+封隔器1+坐封球座。射孔作業完成后，將帶全通徑無級滑套的壓裂管柱入井到位，投球憋壓，一次性坐封封隔器；憋壓打掉底部坐封滑套，進行第一段目標層段壓裂施工；第一段壓裂施工結束后從井口投放并泵送第二段全通徑無級滑套配對開啟工具，到位自動配對，憋壓開啟滑套，進行第二段目標層段壓裂施工，如此重復，完成剩余目標層段壓裂施工；壓裂完成后，進行排液投產，若需實現管柱全通徑功能，則下入打撈工具撈出開啟工具；根據生產管理需要，下入關閉工具選擇關閉滑套或下入開啟工具選擇開啟滑套。

2.技術優勢

(1)分段級數不受限，可實現需要的分段級數，油氣改造更充分，從原理上推動了分段有限的壓裂模式變革為不限級壓裂模式，有助于提升單井產能及穩產能力。

(2)可實現整個油管柱井眼全通徑，避免井下節流，流體流動更暢通，更利于油氣生產，同時全通徑無阻礙井眼使水平井生產測井、修井等后期油氣井管理與再改造變得高效、便捷。

(3)單段可開關，若生產中產層出水，可下入開關工具，實施定點關閉及恢復生產作業，還可用于探井便捷測試評價，大幅縮短作業周期。

(4)多功能集成、成本低、效率高，施工工藝高效便捷，只需一趟管柱下入，工序簡單，作業過程、時間、工作量與常規投球工藝相同，但能同時實現壓裂采輸管柱一體化，不動管柱，作業環節少、成本低、周期短，效率高，直接投產。集成“無限級、全通徑、可開關、管柱一體化”四大功能，性能顯著優于國外技術。

3．主要技術參數

與?73 mm油管配套的無級滑套外徑?111 mm、內徑?61 mm，總長1 200 mm；開啟工具外徑?59 mm、流體通道內徑?42 mm，總長500 mm；開啟壓力18～20 MPa(可調)，整體承壓70 MPa，承壓差45 MPa，耐溫150℃。

與?89 mm油管配套的無級滑套外徑?130 mm、內徑?75 mm，總長1 200 mm；開啟工具外徑?72 mm、流體通道內徑?55 mm，總長500 mm；開啟壓力18～20 MPa(可調)，整體承壓70 MPa，承壓差45 MPa，耐溫150℃。

二、全通徑無級滑套配套工具

1.滑套關閉工具

滑套關閉工具結構見圖2。

1上接頭 2擋環 3外筒 4丟手銷釘 5鎖緊頭 6關閉齒形件 7 C形棘齒環 8下接頭 9啟動銷釘

擋環套裝在鎖緊頭小外徑一端并與外筒通過螺紋連接，外筒與鎖緊頭間由丟手銷釘固定。在外筒下端布置有沿軸向的槽，關閉齒形件的彈性端可在槽里滑動。關閉齒形件與下接頭通過啟動銷釘固定。C形棘齒環套裝在外筒下部。當需關閉某滑套時，將關閉工具下入目標滑套位置，關閉齒形件自動定位識別并有效連接至滑套內筒，向下加載啟動銷釘剪斷，C形棘齒環與關閉齒形件內壁的棘齒嚙合，關閉齒形件沿著外筒軸向槽滑動，鎖緊頭下部進入關閉齒形件尾部，上提工具并加載可關閉滑套。滑套關閉后繼續加載上提，鎖緊頭相對外筒向上運動、剪斷丟手銷釘，鎖緊頭脫離關閉齒形件尾部、從滑套內筒脫出，就可將滑套關閉工具提出井筒。

2.滑套重復開啟工具

滑套重復開啟工具結構見圖3。

1上接頭 2連接器 3 C形棘齒環 4開啟齒形件 5銷釘 6下接頭

C形棘齒環套裝在連接器上，開啟齒形件套裝在下接頭上并通過銷釘固定。連接器沿軸向設置有內外相通的槽，開啟齒形件可在槽里滑動。需重復開啟某滑套時，將開啟工具下至目標滑套位置，開啟齒形件自動定位識別并有效連接至滑套內筒。下震擊或下壓開啟滑套，繼續向下加載剪銷釘，連接器帶動下接頭、C形棘齒環、上接頭一起相對開啟齒形件向下運動，上接頭下端喇叭狀內壁將開啟齒形件尾部收攏從滑套內筒凹槽中脫出，同時開啟齒形件下端內壁棘齒與C形棘齒環嚙合以避免齒形件從上接頭下端的喇叭狀內壁脫出。

三、性能評價

1.開啟可靠性試驗

為驗證不限級數滑套的系統可靠性，建立了全通徑無級滑套地面試驗系統(圖4)。將全通徑無級滑套成串地連接到地面試驗場站中，評價不同工作液、不同作業排量及開啟工具磨損等情況下滑套的開啟可靠性。400余組地面試驗表明，全通徑無級滑套系統允許作業排量范圍寬、開啟工具泵送4 000 m磨損后滑套仍能順利開啟、混砂液中滑套逐一開啟可靠性高，具備入井應用條件。

圖4 全通徑無級滑套地面試驗系統示意圖

2.耐沖蝕性試驗

為評價滑套內筒耐沖蝕方案的可行性，設計了一套設置于井口、完全模擬壓裂工況的耐沖蝕評價裝置，通過流態控制段長度優化設計來降低井口注入羊角對流態的影響，將需評價的耐沖蝕件裝于耐沖蝕短節中，將耐沖蝕裝置裝于井口，在GM33-14HF等10井開展了沖蝕試驗。累計沖蝕砂量1 552 m3，耐沖蝕件仍較完整，表明設計的全通徑無級滑套耐沖蝕性能滿足油氣井多級加砂壓裂需要。

四、現場生產應用

全通徑無級滑套2014年1月在四川盆地馬井氣田馬蓬25-3HF井分段壓裂成功，2016年來在川西氣田有效替代了常規投球滑套、實現了規模推廣應用。截至2018年4月底，全通徑無級滑套分段壓裂技術在川西地區共實施80口井，成功應用1188只，滑套開啟成功率達100%。具備50級分段能力，現場應用最高分段數已達30級，在JS33-19HF、GM33-20HF兩口井采用全通徑無級滑套均成功完成30級分段壓裂。與常規工藝相比，采用全通徑無級滑套具有以下效果：

1.利于氣井建產、穩產

生產應用表明，采用全通徑無級滑套為水平井壓裂提供了所需要數量且施工便捷的工具支撐。以川西某致密氣田為例，水平井分段壓裂平均縫間距56.3m，平均分段數14.7段，平均單井加砂規模258.1m3，單井測試產量9.95×104m3/d，從整體來看，全通徑無級滑套分段壓裂大大提高了測試產量，較常規分段壓裂技術平均單井測試產量6.21×104m3/d提高了60%以上；控制動態儲量及穩產能力，采用全通徑無級滑套多分段壓裂的GM33-10HF、GM33-12HF分別是常規投球滑套壓裂的GM33-11HF的240%、140%及170%、180%。

2.縮短壓裂作業周期、降低作業成本

可一次性下入所需數量的無級滑套，配合封隔器實現分段壓裂，壓裂完成后直接排液投產，無需重新下入完井投產管柱，工序簡單，作業過程、時間、工作量與常規投球工藝相同。較行業內主流的無級滑套工具系統，可顯著縮短作業周期、降低完井作業成本。以采用全通徑無級滑套30級分段壓裂為例，全井作業時間低至57.7 h，費用預估為783萬元，較橋塞分段壓裂系統、連油帶底部封隔器拖動壓裂技術施工作業時間節約40%以上，作業成本降低可達50%。

3.便捷了后期生產管理

完成一次成功測井首先要滿足的條件是測量儀器到達理想的深度[15]，受制于傳統水平井井筒變徑、通過性差等條件的制約，水平井生產測井等后期管理難以實施。采用全通徑無級滑套分段改造井，作業后可將所有的開啟工具移出井筒，實現生產過程中油管柱的全通徑，可便捷地下入生產測井工具，了解儲層流體產出情況。JS33-19HF井30級改造完成后，開展了水平井生產測井，實現了水層準確判斷。同時，基于生產測井對流體產出剖面的評價，可下入配套的滑套關閉工具關閉出水層段。還可利用滑套可選擇性關閉及重復開啟功能，實現油氣井逐層開采或合采。

五、結論及建議

(1)研發的全通徑無級滑套可實現需要的作業級數，滑套開啟可靠性高，能不動管柱連續壓裂，可顯著縮短壓裂作業周期、降低作業成本，配合精細分段壓裂工藝提高單井測試產量及穩產效果明顯，為非常規油氣藏高效開發提供了一種全新的技術手段。

(2)全通徑無級滑套壓裂后可實現整個油管柱全通徑，突破傳統水平井井筒條件限制，可實現長水平段井生產測井；不新增任何井下工具卻能實現快速堵水作業，可便捷油氣藏生產管理。

(3)研制的全通徑無級滑套在川西氣田成功規模應用，施工成功率100%，實現了工業化，可在類似油氣藏大規模推廣應用。