一種活動式可密封的滑套開啟工具設計與研制

崔警宇 趙偉 曾明勇 劉濤

中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院 四川 德陽 618000

我國頁巖氣資源量達134萬億立方米，位居世界第一[1]。由于頁巖孔徑為納米級，天然氣在孔隙中根本無法有效流動，需要借助水平井多級分段壓裂技術才能實現頁巖氣資源的有效動用。多級滑套分段壓裂技術作為水平井多級分段壓裂技術的重要支撐，具有施工程序少、作業成本低、壓裂效率高的特點，為頁巖氣資源經濟高效開發提供了一種新的選擇。

根據“一把鑰匙開一把鎖”思路設計的全通徑無級滑套系統，是頁巖氣等非常規油氣藏開發的一種全新技術手段[2]。通過“套管+全通徑無級滑套”固井、完井、壓裂可以進一步降低頁巖氣井建井費用。現用全通徑無級滑套密封膠筒設置在內筒上，通過膠筒變形、抱緊開啟工具實現壓裂時的層間密封。由于工作井深＞3500m、環境溫度＞130℃，在內筒上的密封膠筒需要經歷固井、探掃塞等工序，面臨井下高溫長時間考驗，易出現損壞、碳化等問題，密封失效風險大。因此設計了一種活動式可密封的滑套開啟工具，將密封膠筒設置在滑套開啟工具上，壓裂時投入滑套開啟工具，在軸向機械力觸發下壓縮膠筒實現開啟工具與滑套之間的密封，從源頭上避免了固井及高溫等對密封系統的影響。

1 結構設計與工作原理

活動式可密封的滑套開啟工具主要由引導頭、膠筒、推筒、本體、球座、銷釘、球、本體上的卡掛彈片等8個部分組成（如圖1所示）。球座與鑰匙本體，交叉壓在推筒內部臺階上，并且通過銷釘安裝在鑰匙本體上，引導頭通過絲扣連接在鑰匙本體上，膠筒安裝在引導頭上。活動式可密封的滑套開啟工具在壓裂施工過程中通過泵送到達指定的滑套處卡掛后，繼續加壓，球與球座密封推動球座剪切銷釘，球座下行帶動推筒下行壓縮膠筒形成外部密封，這時鑰匙已卡掛好，繼續加壓就可以打開滑套，從而進行加砂壓裂施工。

圖1 活動密封式滑套開啟工具

2 關鍵功能參數設計

2.1 密封系統優化設計

如圖2所示，將密封膠筒放置于滑套開啟工具上，能更好適應固井及高溫條件下可靠作業需要，然而將其放置在內筒上時可獲得更高的膠筒坐封力，當密封系統尺寸與滑套開啟工具相匹配，一定壓差下膠筒接觸應力分布大幅度降低，其性能成為決定壓裂施工成敗的關鍵，基于膠筒在井下工作的初封階段和工作階段，分別對其性能進行分析[3]。

圖2 膠筒封隔部位示意圖

（1）膠筒初封性能計算

在自由變形階段，膠筒處于單向壓縮狀態，其壓縮變形坐封力計算表達式為：

式中：E—膠筒彈性模量，MPa；μ—膠筒泊松比；R0σ—內筒內半徑，mm；R1—膠筒外半徑，mm。

針對Φ101.6 mm油管匹配的滑套開啟工具，初步設計膠筒內徑63 mm、外徑83 mm。計算結果表明，當膠筒承壓差0.68 MPa，坐封力為0.3 t時，膠筒迅速鼓脹并壓貼到接觸內筒，膠筒壓貼所需壓差僅為0.68 MPa，其高度縮短5.3 mm，此后膠筒處于約束變形階段，壓差載荷的上升主要用于使其接觸應力迅速升高，進一步提高了膠筒的初封性能。

（2）膠筒工作性能計算

根據滑套開啟工具的結構特點，內筒對底座具有卡掛性能，使得壓裂施工時工具上的壓差作用力，分別由內筒內壁、底座外壁提供的摩擦力克服[4]。假設膠筒不可壓縮，認為膠筒上的軸向、徑向接觸應力相等，那么膠筒承壓差實現密封所需坐封力計算表達式為：

式中：εz=Δh/h；h—變形前膠筒的高度，mm；Δh—變形后膠筒的高度，mm；Rn1—壓環外半徑，mm；R0—膠筒內半徑，mm。

對不同工況下膠筒受到的坐封力等參數進行了計算，其中膠筒工作階段所需總坐封力，等于膠筒承壓差、膠筒鼓脹所需坐封力之和，計算結果表明，在不同的壓差下，膠筒的變形均處于彈性范圍內，壓差提供給膠筒的坐封力均大于膠筒工作階段所需總坐封力，坐封力余量達5-11 t，密封能力達45 MPa，見表1。

表1 膠筒工作性能計算表

表2 分段螺紋牙根截面強度校核

2.2 連接系統優化設計

如圖3所示，滑套開啟工具上連接系統采用了分段螺紋設計，螺紋沿圓周方向不連續，至少由兩段螺紋構成，該結構有利于組件經開叉θ角度處下入安裝、相對運動壓縮膠筒形成密封，然而其連接性能成為影響工具可靠和成功應用的關鍵問題。基于θ角度對螺紋強度公式進行了線性修正，選取內、外螺紋牙根危險截面，對剪應力、彎曲應力進行強度校核[5]：

圖3 分段螺紋示意圖

式中：τ—剪應力，MPa；[τ]—許用剪應力，MPa；σb—彎曲應力，MPa；[σb]—許用彎曲應力，MPa；F—軸向力，N；n—分段螺紋段數；θ—單段螺紋銑削角度；d—螺紋基本小徑或基本大徑，mm；b—螺紋牙底寬度，mm；z—螺紋有效圈數。

綜合考慮材料、θ角度、螺紋規格等因素對二段式螺紋進行優化設計后，按壓差45 MPa施加25.55 t軸向力的工況進行了強度校核，計算結果表明：采用35 CrMo級別材質，螺距達3 mm，銑削θ角度達45°時，不僅有利于提高經開叉θ角度下入安裝的組件強度，而且保障了分段螺紋承載能力達45 MPa。

3 活動密封式滑套開啟工具試驗

如圖4所示，選取177.8 mm套管井筒開展活動式可密封的滑套開啟工具地面試驗，建立了密封性評價試驗系統，采用101.6 mm油管送匹配滑套入井，入井管柱結構：堵頭+篩管+1#滑套+2#滑套+3#滑套+101.6 mm油管錐管掛，其中3#滑套用于活動式可密封的滑套開啟工具試驗。試驗過程中先投1#、2#滑套開啟工具開啟1#、2#滑套，再投入活動式可密封的滑套開啟工具開啟3#滑套，并進行加壓密封性能驗證試驗。結果表明：活動式可密封的滑套開啟工具能夠順利泵送到位、匹配并開啟滑套；密封膠筒接觸應力分布合理，密封能力達45 MPa；分段螺紋連接性能好，方便了各組件的交叉安裝，產生相對運動的動作靈活可靠，其承載能力達45 MPa；滑套開啟工具的關鍵功能參數設計達到預期要求，能夠滿足現場施工需要。

圖4 井筒模擬實驗評價系統示意圖

4 結論

（1）在活動密封式滑套開啟工具上設置密封膠筒結構，壓裂時逐級投入，采用軸向機械力啟動密封系統、實現管柱內層間封隔，密封能力達45 MPa，密封系統不需要隨壓裂管柱提前預置，解決了固井及高溫對密封系統影響的難題。

（2）組件間通過分段螺紋連接，利于組件交叉安裝、連接可靠，承載能力達45 MPa，能滿足中淺層、深層頁巖氣氣井壓裂需要。

（3）研發的活動密封式滑套開啟工具通過了井筒試驗的檢驗，具備生產應用的條件，有利于全通徑無級滑套油管柱固井代替常規套管固井的實施，應用前景廣闊。