套管固井滑套工具現狀及發展趨勢

楊兆中,鐘鵬,易良平,雷騰蛟,劉成,李小剛

(1.西南石油大學油氣藏地質與開發國家重點實驗室,成都 610500;2.西南石油大學機電工程學院,成都 610500;3.中國石油塔里木油田公司輪南采油氣管理區,成都 610042;4.中國石油西南油氣田勘探事業部,成都 610041)

中國頁巖油氣、致密砂巖油氣等非常規油氣資源豐富,是未來化石能源的主戰場,主要特點是源儲一體、持續聚集和連續分布。然而該類儲層具有低孔隙度、低滲透率等特性[1-6],巖石非常致密、橫向和縱向非均質性強、開發難度大、自然產能低[7-11]。為了提高單井產能,必須采用大型水平井分段壓裂將有效儲集體充分打碎,對儲層進行細分切割,形成復雜裂縫網絡,增大縫網控制體積(stimulated reservoir volume,SRV)才能實現工業化生產[12-18]。

目前非常規儲層水平井分段壓裂常用的分段方式主要有四類:可鉆式復合橋塞分段、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[19]。其中,可鉆式復合橋塞往往存在坐封不穩、套管變形后鉆除風險大、損傷套管等缺點[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,噴砂口易被封堵,井筒的暢通性無法確保,且壓裂后無法進行生產測試或其他二次作業[24-25];水力噴砂技術需多次反復提放管柱,施工周期長,同時射孔會對套管造成損傷、對儲層造成污染[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,完成常規固井后通過滑套啟閉壓裂通道的儲層改造技術,它具有管內摩阻小、施工壓力低、無需鉆磨作業、低成本高效率的特點。與傳統分段技術相比,該應用技術井壁穩定性好,井控風險小;可對儲層進行定點壓裂,改造針對性強[28-31]。此外,當遇氣井產出水、出砂以及需要儲層重復性改造時,可以有效對儲集層進行最大化開發[32-34]。

針對目前中外非常規儲層水平井開發技術現狀,概述了套管固井滑套分段壓裂工具分類及特點,指出了其中的技術難點與潛在不足,分析了學者們提出的改進與優化方案,并對未來的新型固井滑套提出了發展建議,以期為國內套管固井滑套工具研究與設計提供技術參考。

1 常規投球憋壓式固井滑套

以Halliburton公司為代表的常規投球憋壓式固井滑套[35]結構主要包括壓裂球、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,當壓裂球到達相應尺寸的球座位置時,壓裂球與球座接觸密封,封隔上下井內空間實現憋壓,壓力達到一定值時剪釘破壞斷裂,球座下行動作,露出外套的壓裂孔眼,壓裂通道開啟。該滑套具有結構簡單,無需下入工具管串,施工周期短、難度低等優點。但其簡單工藝背后存在以下技術缺陷:①壓裂球和球座存在尺寸約束,壓裂級數受限,目前最多可實現的壓裂段數僅為21段[36];②壓裂球需按照從小到大的順序投入,從下往上逐級壓裂,一旦錯投入某一級壓裂球將會導致全段壓裂失敗;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險,進而導致滑套開啟失效;④采用下行開啟滑套方式,固井膠塞通過時存在提前打開滑套的風險[37];⑤壓裂后壓裂球難以有效返排,滯留井筒難以降解,球座的鉆磨銑作業將會損傷套管。

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 常規投球憋壓式固井滑套Fig.1 Conventional pitching open cementing sliding sleeve

基于以上不足,學者們針對球座幾何形狀和材料提出了優化改進。段文廣等[38]提出了雙球座壓裂滑套,該結構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數。趙珩煜[39]設計了一球多簇壓裂滑套,該滑套能夠在投入一個壓裂球的情況下依次打開多個壓裂滑套,一次施工可以完成多點壓裂操作,大大減少了施工程序,有效降低施工成本。張熙雯等[40]以管內不同臺階采用A、B球憋壓8～12 MPa,即可完成滑套啟閉動作。劉運樓等[41]采用粉末冶金法制造的可溶解壓裂球,耐溫可達150 ℃,抗壓強度可超過70 MPa。在 1%～3%KCl溶液中,一般溶解時間為10 d。谷磊[42]在現有可溶材料基礎上以鋁合金為基體,研發了高強復合可溶材料壓裂球座,承壓達到70 MPa,在質量分數為3%的NaCl溶液中球座在30 d內完全溶解?？扇懿牧系难兄?可以有效避免壓后鉆磨銑作業,降低套管損傷。

投球憋壓式滑套已經從傳統機械結構上的優化改進轉變到以鎂鋁合金等為主的可溶材料研發,可有效解決壓裂級數受限、鉆磨銑以及返排作業問題。但在壓裂結束后如遇需要控水、防砂以及調節開度節流時,滑套難以關閉。應對深層超深層井下高溫高壓復雜多變環境,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,在未來研發機械性能好,可降解性能好的可溶材料的同時,還需要對滑套本體結構進行優化,實現可關可閉。

2 變徑球座固井滑套

由于常規投球憋壓式固井滑套具有壓裂級數受尺寸的限制,無法實現井內大通徑甚至全通徑的缺點,以投球式滑套工藝原理為基礎,發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構主要包括飛鏢和C形環工具,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TAP壓裂滑套的液壓腔,液壓腔的壓力增大,推動壓差滑套向下移動。壓差滑套擠壓C形環變形為O形,內徑收縮形成球座,投入飛鏢與球座配合密封,井內憋壓內滑套下行,壓裂通道開啟。該滑套在中國蘇格里氣田現場應用,具有無需下入工具管串,投入同一尺寸飛鏢即可完成多級壓裂優點。相比于投球憋壓式滑套,無需電纜及連續油管鉆磨作業,節省了施工時間,提高了工作效率。但是基于C形環變徑形成球座的液控管線結構復雜,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,一旦某級滑套的液控管線發生支撐劑堵塞或者發生斷裂,后續的滑套將全部失效。

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

針對液壓管線結構復雜,壓力傳遞系統不易控制等問題,趙傳偉等[44]借鑒I-ball[45-46]滑套結構自主研制了計數式全通徑壓裂滑套,結構如圖3[44]所示。該滑套只需設置多數量的環狀槽,即可實現多級滑套壓裂,且可保持井內大通徑;同時根據投入的數量球,可以實現計數功能。姚本春[47]設計了一種新型電控滑套,主要原理是采用電磁感應技術實現壓裂棒的變徑,拔爪突出與滑套本體活塞相互作用啟閉滑套。既能保證壓后井內大通徑,又能實現滑套的反復啟閉。

1為上接頭;2為內滑套;3為環狀槽6;4為環狀槽5;5為環狀槽4;6為環狀槽3;7為環狀槽2;8為環狀槽1;9為開關;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 計數式全通徑固井滑套[44]Fig.3 Counting type full-diameter cementing slip[44]

以球座變徑為基礎的固井滑套存在液壓管線復雜、壓力傳遞控制困難的局限性,應當開拓逆向思維。以球座滑套為固定尺寸,壓裂球為變徑尺寸,通過一球實現多位置、任意位置滑套的啟閉。但此類滑套驅動壓裂球變徑的電信號從井口長距離傳輸到井下有效性以及壓裂球反復變徑疲勞韌性難以保證。因此,長距離輸送、復雜環境下信息傳遞可靠性研究將是重點。

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,結構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固井后將連續管和封隔器工具下入井內,到達目的層段時,向連續管內打壓,膠筒壓縮,封隔器坐封。坐封后向連續管和套管形成的環形空間繼續打壓致使剪釘斷裂,內滑套下行打開滑套,壓裂通道開啟。該滑套在中國東勝氣田杭錦旗區塊進行了先導性試驗,采用液壓開啟高效可靠且成本較低,保持井內全通徑,可適用于套管井或裸眼井,滿足大排量、高砂比的壓裂工況。同時可通過連續管移動工具管串到任一層段,實現選擇性壓裂。但是由于連續管自身長度限制,只能進行有限級壓裂;其次,連續管管串連接工具較多,施工復雜,封隔器的坐封位置精度要求較高;此外,壓裂滑套無法反復啟閉,中后期無法進行生產調節。

1為上接頭;2為壓力激活孔;3為壓裂孔;4為內滑套;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]

針對以上的不足,許多祥[50]研究設計了一種微型液壓系統,結構如圖5[50]所示。采用微型柱塞泵在滑套的左右環空形成壓差來啟閉壓裂通道,結構緊湊,實現了固井滑套和微型液壓系統的共形集成。張銳峰等[51]設計了一種液壓可開關式固井滑套,利用壓差與限位銷釘對滑套的阻力關系,套管環空加壓滑套開啟,油管內部加壓滑套關閉。利用該技術可以選擇性啟閉滑套,進行選層選段壓裂投產。限位銷釘可以控制滑套開啟或關閉時所需的壓差,限位環可以防止滑套關閉時被過度關閉,實現滑套的精確定位。

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

4 機械開關式固井滑套

機械開關式固井滑套[52-53]主要結構包括CT(coilshift precision)滑套和配套開關工具,如圖6、圖7所示。其工藝原理是利用連續油管或油管將配套機械開關工具下入到目標滑套位置,向管內憋壓,工具上的開關塊在壓力作用下向外徑向擴張,與滑套的對應臺肩配合,通過上提下放管柱實現滑套的啟閉。

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滑套機械開關工具Fig.7 Slide-sleeved mechanical switch tool

該滑套工具結構及原理較為簡單,壓裂級數不受限制,管柱內全通徑,無需鉆除作業,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險[37]。相比投球打開式滑套,機械開關工具可實現滑套的反復啟閉,有利于滿足中后期油氣藏選擇性生產控制和重復壓裂增產改造的需要。但是施工過程中需多次起下管柱,施工周期較長。同時由于滑套的反復開關,多次往復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構產生塑性變形、裂紋,降低開關滑套鎖定的可靠性以及穩定性。

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閉及重復開啟的新型滑套,在川西地區共實施80口井,滑套開啟成功率達100%,現場應用最高分段數已達30 級。羅建偉等[55]在此基礎上研制了無限級壓裂固井滑套及其配套的關閉工具,并進行了有限元分析和測試,開關工具在不低于1 MPa的壓差下有效動作完成固井滑套的啟閉。鐘富林[56]設計了一種用于固井滑套的儲能型V型組合密封結構,改進了泛塞封唇部結構,由單唇結構改為多唇結構,在滿足密封壓力條件下可實現往復運動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構。采用拉拔試驗機進行多次開關工具的功能試驗,并在東勝氣田進行了2口井的現場應用,可以順利多次反復滑套啟閉功能。

固井滑套已然從單向打開過度到了可往復啟閉,逐漸朝著選擇性壓裂、交替壓裂、重復壓裂方向。為有效解決壓裂級數受限,在開關結構上遵循多維度變換﹑機械式唯一性匹配,多層次排列組合原則增加壓裂級數。此外,此類滑套對于液壓系統的密封性能與壽命、傳感器的精度、動力源的壽命要求高。因此,固井滑套相關配套工具,如保護型組合密封圈結構、密封件材料、鎖緊定位結構的高壽命性能的升級研究將是重點。

5 智能控制新型固井滑套

隨著技術的不斷提高,智慧油田模式不斷發展,信息化技術與傳統油田生產工業密切結合,引入RFID(radio frequency identification)無線射頻技術運用于滑套。RFID技術具有非接觸式信息傳遞的特點,可解決現有固井滑套的技術瓶頸。近年來,中外開展了RFID無線射頻識別技術以及壓力脈沖技術研究,通過非接觸式信息傳遞可實現管柱全通徑、開關狀態隨時可控、井下無限級數的壓裂[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構主要包括電子標簽、天線、計算機系統、讀寫器,如圖8、圖9所示。其工藝原理是利用射頻信號或電磁/電感耦合,實現信號的識別與傳遞。當需要開啟或關閉某層滑套時,通過地面投入相應電子標簽,控制讀寫器通過天線發射一定頻率的射頻信號,當標簽運動進入天線所產生的磁場內因產生感應電流,從而獲得能量并發送自身所攜帶的編碼信息,天線接收后傳遞給讀寫器,讀寫器將信息進行解碼,傳遞給計算機系統,輸出命令控制滑套動作,實現壓裂通道的啟閉。該滑套工具利用射頻信號控制滑套開閉更加自動化,智能化。工具結構無級差,可實現管柱全通徑。施工工藝簡單,無需下入工具管串,節約了施工時間。利用不同編碼的標簽識別不同滑套,可實現選擇性壓裂作業。但是井下用大扭矩空心軸電機制造困難,讀寫器和驅動電機需要配套高性能高壽命的供電系統,電子標簽和天線高溫高壓條件下封裝性能不強,高速泵送條件下的信號讀取有效率不高。

圖8 RFID系統工作原理流程圖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為電控區域;6為電池區域;7為電機;8為傳動機構;9為內滑套;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標簽的封裝形狀對讀取性能的影響,并設計了相應形式的封裝,所封裝的標簽能夠滿足系統設計要求。最后進行了現場實驗,對系統讀取性能進行了測試,實驗表明在泥漿液中標簽以5 m/s的速度通過天線時,系統可以讀取到標簽信息并能控制電磁閥動作。文獻[63-65]對RFID智能滑套內如何提高標簽識別率開展了相關研究,并通過MATLAB仿真分析了天線參數對信號識別率的影響,設計了一套基于RFID智能滑套的模擬試驗系統方案,驗證了采用RFID技術的壓裂滑套控制系統的可靠性與高效性,對提高智能滑套RFID標簽識別率具有重要的現實意義。

5.2 壓力脈沖控制固井滑套

為應對復雜環境和突發情況,避免RFID電子標簽激活失效,提出了改進的RFID的固井滑套,其結構主要包括液壓管線、電磁閥、壓力傳感器,如圖10所示。其工藝原理通過設置不同的脈沖信號個數和時間間隔的寬度,壓力脈沖作為信號來識別不同位置的滑套。當需要開啟或關閉某層滑套時,通過分別向液壓管線1和液壓管線2發送壓力脈沖信號,壓力傳感器識別信號后進行解碼,控制電磁閥1、2開啟,向管線1內打入壓力,可控制滑套開啟;向管線2內打入壓力,可控制滑套關閉。

1為上接頭;2為液壓管線1;3為電控區域;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公司的多位置可調液壓閥(multi-position adjustable hydraulic choke,HCM)套管滑套[66]結構上相似,從地面通過液壓管線向滑套系統內打壓,通過發送脈沖信號傳遞給傳感器控制電磁閥啟閉壓力通道。該工藝技術控制較易,滿足井內全通徑,壓裂級數不受限制。但是液壓管線布置較復雜,管串制造加工困難,壓力脈沖信號從地面到井下因發生衰減導致信號不可靠。此外,井下電子元器件和電磁閥長期耐壓性、耐溫性、穩定性難以保證。

智能壓裂滑套已從機械識別轉向智能信號識別,可實現井下全通徑、選擇性壓裂生產作業。主要問題在于入井信號從識別到控制滑套動作之間的有效轉變和可靠控制,信號識別率不高,滑套動作系統錯綜復雜。在面對深層超深層井下高溫高壓復雜環境下,長距離傳輸信號的可靠傳遞、有效識別,配套的動力器件有效時長難以保證。因此,通信技術、信號中間轉換器的革新研究將是重點。

6 各類固井滑套性能特點對比

套管固井滑套分段壓裂技術作為非常規油氣儲層分段壓裂改造的新興技術,Halliburton、BakerHughes、Schlumberger等公司對固井滑套工具研究比較成熟和全面,大多數固井滑套工具實現了油氣田現場應用。中國在這方面的研究仍處于探索與研發階段,技術尚未成熟,難以實現現場規?；瘧谩，F將各類固井滑套性能特征對比分析如表1所示。

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

7 結論及建議

隨著非常規油氣資源勘探開發的不斷深入,低滲致密儲層水平井分段壓裂改造技術要求不斷提高,固井滑套分段壓裂完井技術未來將會更加廣泛的被油田需要和現場應用。固井滑套具有管內摩阻小、施工壓力低、低成本高效率等優點,但應用實踐中仍然存在多級壓裂分段不足、儲層改造體積小;部分滑套啟閉失效、壓裂及生產作業失敗造成最終采收率(estimated ultimate recovery,EUR)不理想。固井滑套是一個多而復雜的壓裂系統,在高溫高壓環境下信號傳遞可靠性較差,滑套本體往復開關功能不易保證,相匹配的功能件壽命、穩定及精度差。其研制與實踐應用涵蓋了機械、材料、計算機、通信、人工智能等學科,需要多學科知識交叉綜合應用。智慧油田以智能壓裂技術為中心,壓裂施工中所需的精準性與高效性離不開智能響應與智能控制。因此,未來以智能固井滑套為重點的研究需要融合多個方面,現對未來的發展方向提出如下建議。

(1)以有效打開、可靠關嚴為前提,以實現井內全通徑、無限級、反復啟閉為目標,對傳統機械結構優化改進可變徑固井滑套,結合信號識別技術,實現智能識別、智能控制開啟變徑結構的滑套。

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

(3)固井滑套壓裂系統具有多而復雜特點,不僅需要研究固井滑套本體結構,而且需要同步研發相關配套工具,如高性能動力源、高精度傳感器、高壽命密封件等。

(4)針對信號傳輸與識別問題,引入長距離傳輸高新通信技術,如5G通信、無線WIFI技術。增加信號傳輸距離,研發高性能儲存器、中繼器等信號傳遞和轉換的中間器件。