新型水平井可開關固井壓裂滑套研制*

關皓綸 沈 明 曹 嘉

(1.中國石油集團工程技術研究院有限公司 2.中國石油大學(北京)石油工程學院 3.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司 4.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

0 引 言

近年來，水平井分段壓裂完井技術已經廣泛應用于國內外頁巖油及頁巖氣等非常規油氣藏的高效開發[1-3]，成為儲層增產改造的關鍵手段。水平井分段壓裂完井技術主要有裸眼封隔器分段壓裂技術、固井滑套分段壓裂技術、水力噴射分段壓裂技術及橋塞分段壓裂技術等[4-5]。

固井滑套分段壓裂完井技術是指在鉆井作業完成后，根據地質層位信息在套管內安裝多級壓裂滑套并一趟下入井內，各級滑套抵達目的層后實施固井[6]。壓裂作業時，利用液壓先打開首級趾端滑套，再逐級開啟后續滑套，使井眼與儲層連通，實現壓裂增產改造[7-8]。該技術適用于固井后的定點壓裂，無需射孔，改造針對性強；固井完井管柱一體化，地面施工壓力低，操作可靠[9-11]，相比于其他套管內壓裂完井技術具有明顯的優勢，在現場應用中展現出了巨大的經濟效益和技術優勢。

固井壓裂滑套是該技術中的關鍵工具。現有各類滑套產品主要分為投球憋壓開啟式、飛鏢憋壓開啟式、機械工具開關式、液壓封隔開啟式和電磁智能開啟式等[12]。其中，機械工具開關式固井壓裂滑套不僅能在固井后對油氣藏進行高效重復壓裂增產改造，還能在開采后期進行選擇性生產控制，關閉枯竭井段或出水層段[13]，滿足未來壓裂工藝高效化和智能化的要求[14]，成為近年來國內外先進智能壓裂技術的引導者。

機械工具開關式滑套通常需要使用配套的液控機械開關工具對滑套進行開關。固井后，在壓裂施工前，利用油管將機械開關工具下入到滑套位置，通過向管柱內加壓推動鎖塊向兩側撐出外凸，與滑套的臺肩配合再上提下放管柱開關滑套[15-17]。但現有機械工具開關式滑套存在固井后井下的滑套及工具難以精確定位的問題，影響了滑套開關的成功率，降低了施工效率[18-19]。

為解決現存不足，筆者結合水平井現場固井壓裂工藝及各類固井壓裂滑套的結構特點，研制了新型水平井可開關固井壓裂滑套，并對關鍵部件進行了強度分析，加工制造出原理樣機，開展了室內試驗。研究結果可為水平井固井壓裂滑套的設計與研究提供參考。

1 技術分析

1.1 結構

新型水平井可開關固井壓裂滑套由固井壓裂滑套和機械開關工具兩部分組成。

固井壓裂滑套結構如圖1所示。初始條件下，固井壓裂滑套處于關閉狀態，內滑套位于滑套內部將壓裂孔封住，實施固井作業后需要開啟滑套時，下入機械開關工具將內滑套上提直至固定圈卡在定位槽中，完成滑套的開啟。

機械開關工具結構如圖2所示。

1—上接頭;2—錐端緊釘螺釘;3—擋圈及O形圈;4—固定圈;5—內滑套;6—本體;7—下接頭。圖1 固井壓裂滑套結構示意圖Fig.1 Structure of cementing and fracturing sliding sleeve

1—扶正機構;2—上連接頭;3—大彈簧;4—缸套;5—推環;6—夾塊;7—定位桿及小彈簧;8—連接引鞋。圖2 機械開關工具結構示意圖Fig.2 Structure of mechanical switch tool

1.2 工作原理

新型水平井可開關固井壓裂滑套通過上、下接頭與套管串相連作為套管串的一部分下入井中，完成常規固井作業后進行壓裂施工時，將機械開關工具下入井筒內對應內滑套位置，通過向機械開關工具加壓，使開關工具上的夾塊與內滑套相互咬合，上提或下放油管帶動機械開關工具移動，完成固井壓裂滑套的開啟或關閉。其工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 新型水平井可開關固井壓裂滑套工作原理示意圖Fig.3 Working principle of the new switchable cementing and fracturing sliding sleeve

1.3 主要技術參數

新型水平井可開關固井壓裂滑套中的固井壓裂滑套的最大外徑為180 mm，最小內徑為115 mm，總長度為1 372 mm，最高工作溫度為120 ℃，最大工作壓力為70 MPa。

機械開關工具在夾塊伸出狀態下的最大外徑為120 mm，夾塊收回狀態下的最大外徑為115 mm，總長度為1 210 mm，最高工作溫度為120 ℃，啟動壓力為2.5 MPa，最大工作壓力為120 MPa。

1.4 技術特點

(1)滑套可開關，可進行分層開采和分層注水，充分釋放井底能源，后期可以進行找、堵水作業。

(2)滑套無級差，井筒全通徑，可滿足大排量、大砂量和低施工壓力的壓裂工藝要求。

(3)機械開關工具與滑套配合時可通過上提或下放工具管柱完成滑套開關，可忽略附著在滑套上的固井水泥漿對工具開關性能的影響。

(4)采用雙液流設計，使得夾塊伸出和收縮時兩側受力均勻，開關可靠性高。

(5)機械開關工具的夾塊只有在與內滑套位置正確對應的情況下才能傳遞液壓啟動開關工具，開關成功率高，性能可靠。

2 關鍵技術

2.1 內滑套定位機構設計

固井壓裂滑套在使用過程中需要多次打開關閉，為了防止在滑套打開或關閉后受到井內流體沖刷和后續作業管柱刮擦而造成內滑套錯位或提前開關，影響固井和壓裂作業的正常進行，設計了內滑套定位機構，使內滑套在施工過程中到達打開或關閉位置時有效鎖緊限位，保持打開或關閉狀態。在施工結束后還可以根據需要，通過機械開關工具對內滑套施加一定的軸向力實現解鎖，多次改變內滑套的位置。

常見的內滑套定位機構有卡簧式定位機構和彈性爪定位機構[20]，本設計中的內滑套定位機構設計為與卡簧式定位機構類似的較為簡單的結構，如圖4所示。

圖4 內滑套定位機構Fig.4 Positioning structure of inner sliding sleeve

定位機構通過在內滑套上預置固定圈與滑套本體內的卡槽配合實現鎖緊限位。固定圈自然狀態下的內徑略大于內滑套外徑，裝入滑套本體中后，固定圈中間開口受壓變小，剛好卡入卡槽中鎖緊固定。同時，在機械開關工具帶動內滑套移動經過解鎖限位卡槽時，大鉤載荷會發生規律性的突變，據此也可以通過滑套開關過程中地面顯示的相關數據，對固井壓裂滑套開關的狀態進行提示和判斷。

2.2 開關工具卡瓦式夾塊設計

使用機械開關工具開關滑套，最關鍵的部分就是開關工具上與內滑套接觸配合的部件。本設計創新地將機械開關工具上的傳統凸塊改進成類似卡瓦式的夾塊，夾塊上設置有多個鋸齒狀凸齒，同時在內滑套內也設置了多個同等角度尺寸形狀的凸齒，如圖5和圖6所示。依靠多個凸齒之間的咬合配合，通過上提、下放機械開關工具對內滑套進行開啟和關閉。

圖5 開關工具夾塊凸齒與內滑套凸齒對應Fig.5 The convex teeth of the clamping block of the switch tool correspond to the convex teeth of the inner sliding sleeve

圖6 開關工具夾塊凸齒與內滑套凸齒咬合Fig.6 The convex teeth of the clamping block of the switch tool engage with the convex teeth of the inner sliding sleeve

采用該卡瓦式夾塊，解決了機械開關工具上凸塊與內滑套凹槽精準定位的問題，即使上下凸齒間稍有錯位，上提下放管柱，凸齒間錯位摩擦后等尺寸的凸齒也會逐漸咬合，帶動內滑套移動，完成開關滑套動作。

另外，即使內滑套內的凹槽被固井水泥漿一定程度地覆蓋填充，開關工具的夾塊伸出后無法與內滑套內的每個凹槽都精準咬合，也可以采用加大工具管柱內液壓，依靠增大夾塊與內滑套之間的摩擦力使內滑套在管內移動，達成預期開關目的。

2.3 開關工具液體流道設計

通過對機械開關工具內部液體流道的優化設計，在上提下放的過程中不必加壓，夾塊處于自然收回的狀態，只需在到達目標位置加壓啟動即可，節能便捷且降低了工具遇卡風險。

為了更好地實現夾塊與內滑套的定位配合，通過對工具整體尺寸的計算設定，實現了只有在夾塊與內滑套正確配位的情況下，機械開關工具才能完成憋壓，使夾塊伸出與內滑套咬合。當夾塊與內滑套錯位時，管內無法實現密封，開關工具無法啟動，如圖7所示。

圖7 錯位情況下的液體流動方向Fig.7 Liquid flow direction in case of misalignment

如此設定機械開關工具的液體流道，增加了開關工具下入位置的容錯率，提高了工具的可靠性和滑套開關的成功率。

2.4 開關工具扶正機構設計

為了防止機械開關工具在下入過程中上連接頭的雙層密封圈被粗糙的套管內壁磨損失效，在機械開關工具的上連接頭處設置了類似套管扶正器結構的扶正機構(見圖8)，其外徑大于上連接頭密封圈的外徑，在工具下入的過程中扶正片與套管內壁優先接觸，保護密封圈，同時也可以提高機械開關工具在固井壓裂滑套中的居中度。

圖8 開關工具扶正機構Fig.8 Centralizer for switch tool

3 結構參數分析

新型水平井可開關固井壓裂滑套在井下承受著較大的內壓和外壓，此時其結構可靠性起著至關重要的作用[21]。固井壓裂滑套的內外壁及內滑套需要保證在高壓狀態下不發生變形損壞，影響工具的正常下入和運行。為此，對固井壓裂滑套及內滑套的結構可靠性進行了有限元分析。

3.1 有限元分析模型建立

為提高有限元計算分析速度，在SolidWorks中對三維模型進行適當簡化，去除原有模型中復雜且不影響仿真結果的細微結構，將模型轉化為igs格式文件導入至ABAQUS軟件中進行有限元分析。

固井壓裂滑套和內滑套的材料均為35CrMo，設定材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，均為各向同性材料。

3.2 定義單元及網格劃分

模型網格均采用六面體結構網格，單元類型均為C3D8R的八節點線性六面體單元，全局布種后劃分網格，上接頭網格單元數為240 916，滑套本體網格單元數為102 546，下接頭網格單元數為58 968，內滑套整體網格單元數為143 400，網格劃分結果如圖9所示。

圖9 網格劃分結果圖Fig.9 Mesh division results

3.3 載荷及邊界條件設定

依據壓裂作業時的壓力條件設定模型的載荷。設定周向均布內壓載荷為120 MPa，周向均布外壓載荷為70 MPa。

依據實際使用情況，對固井壓裂滑套和內滑套的外表面施加位移約束，徑向完全固定，允許接觸表面處沿軸向發生位移。具體設定如圖10和圖11所示。

圖10 固井壓裂滑套載荷及邊界條件設定Fig.10 Load and boundary conditions setting of cementing and fracturing sliding sleeve

圖11 內滑套載荷及邊界條件設定Fig.11 Load and boundary conditions setting of inner sliding sleeve

3.4 結果及分析

經過有限元分析，得到固井壓裂滑套的應力云圖和位移云圖，分別如圖12和圖13所示。內滑套的應力云圖和位移云圖分別如圖14和圖15所示。

圖12 固井壓裂滑套應力云圖Fig.12 Cloud chart of stress on cementing and fracturing sliding sleeve

圖13 固井壓裂滑套位移云圖Fig.13 Cloud chart of displacement of cementing and fracturing sliding sleeve

圖14 內滑套應力云圖Fig.14 Stress cloud chart of inner sliding sleeve

圖15 內滑套位移云圖Fig.15 Displacement cloud chart of inner sliding sleeve

由圖12和圖13可知，固井壓裂滑套的最大等效應力為808.4 MPa，最大變形量為0.280 3 mm，等效應力和變形量的最大值均出現在滑套本體與上接頭的連接處，受力變形程度符合技術要求。

由圖14和圖15可知，內滑套的最大等效應力為130.6 MPa，最大變形量為0.012 5 mm，等效應力和變形量的最大值均出現在內滑套的卡槽位置，不會對其他零部件造成影響。

綜上所述，固井壓裂滑套和內滑套的最大等效應力的值均小于材料的屈服強度，最大變形在尺寸公差范圍內，在極端工況下仍處在彈性變形階段，強度可靠。

4 室內試驗

4.1 整體密封性能測試試驗

為測試新型水平井可開關固井壓裂滑套在開啟前的整體密封性能，將裝配好的固井壓裂滑套按照試驗要求安裝于鎖緊裝置中并向管柱內灌滿清水，連接好試壓管線及液壓泵(最大工作壓力為160 MPa)。隨后將整體密封試驗裝置置于安全區域內，按照30、50、60和70 MPa逐級提高管柱內壓力，并在達到70 MPa后穩壓15 min，觀察壓力表變化。

經過5次試驗后證明，該固井壓裂滑套在未開啟狀態下無泄漏，密封性能良好，能夠滿足固井及壓裂施工的基本要求，可隨時開泵循環且對循環壓力無限制。

4.2 機械開關工具啟動壓力測試試驗

為測定機械開關工具在啟動時管內的壓力，在對上連接頭的循環孔密封后，連接好機械開關工具與試壓管線及液壓泵(最大工作壓力16 MPa)。隨后在安全區域內向機械開關工具內逐漸加壓，觀察測得機械開關工具在管內壓力1.5 MPa的條件下，夾塊兩側的缸套開始向內移動擠壓夾塊，當管內壓力達到2.5 MPa時，工具的夾塊被完全推擠出，機械開關工具完全啟動，擠出的夾塊外徑可達到119.4 mm左右，符合預期要求。

4.3 滑套開關可靠性測試試驗

為驗證新型水平井固井壓裂滑套能夠被機械開關工具安全可靠地開啟關閉，將固井壓裂滑套裝配固定，連接好機械開關工具與試壓管線及液壓泵(最大工作壓力16 MPa)。利用大鉤和吊繩將機械開關工具下入到固井壓裂滑套內，向工具管柱內緩慢加壓至6 MPa，保壓并緩慢提升大鉤使內滑套穩定上移直至移動到位，壓裂孔打開。滑套開啟完成后，停泵泄壓，提升大鉤將機械開關工具提出滑套。采用類似手段再將內滑套下移關閉壓裂孔，重復進行10組試驗后，再對固井壓裂滑套的整體密封性能進行測試。

試驗結果表明，固井壓裂滑套內下入機械開關工具后，向工具管柱內持續加壓6～7 MPa，夾塊能夠正常伸出咬合帶動內滑套完成開關動作。10組試驗中，滑套的開關成功率為100%，壓裂孔均能完全開啟或關閉。經過10組試驗后固井壓裂滑套的整體密封性能依舊良好，整套工具關鍵零件無損壞。

綜上所述，新型水平井可開關固井壓裂滑套裝配簡單方便，機械開關工具與滑套對位準確，整體性能安全可靠，能夠滿足現場施工需求。

5 結 論

(1)根據固井及壓裂施工工藝，研制了一種適用于水平井的新型可開關固井壓裂滑套，該滑套可以實現在機械開關工具與滑套配合不十分精確的條件下也能通過上提和下放工具管柱完成滑套的開關，性能可靠，大大提高了井下固井壓裂滑套開關的成功率。

(2)對固井壓裂滑套及機械開關工具的主要零部件進行了結構參數分析，建立了力學模型并通過有限元模擬分析驗證了工具結構的可行性。

(3)室內試驗結果表明，新型水平井可開關固井壓裂滑套裝配簡單方便，機械開關工具能夠在液壓條件下啟動并將固井壓裂滑套開啟或關閉，整體性能安全可靠，能夠對水平井固井后進行高效的壓裂增產改造。