電子趾端壓裂滑套的研制與試驗

劉奔

趾端壓裂滑套代替連續(xù)管射孔用于水平井首段壓裂施工具有較高的經(jīng)濟效益。針對常規(guī)趾端滑套難以滿足開啟壓力窗口范圍較窄的油氣井首段壓裂問題，研發(fā)了一種電子趾端滑套。采用特殊設計的低成本鎖定與開啟控制系統(tǒng)，通過定制的壓力波形實現(xiàn)遠程觸發(fā)開啟，可以有效避免滑套在施工過程中與壓力相關的風險，開展了電子趾端滑套結構及功能設計，并對其壓力信號采集精度、整體能耗和開啟性能進行了地面測試。研究結果表明：壓力采集精度受密封件摩擦影響，在50 MPa以上高壓時，采集壓力與實際壓力差值穩(wěn)定在3 MPa左右；電子趾端滑套在150 ℃環(huán)境下持續(xù)工作電流只需9 mA，整機能耗為216 mA·h/d；在地面試驗中，電子趾端滑套能夠成功識別壓力波形信號并解鎖電磁式液壓鎖，試驗最高壓力達到98 MPa。研究結果可為深層、超長水平段油氣開發(fā)提供選擇。

壓裂工具；趾端滑套；電子滑套；壓力信號；電磁式液壓鎖

Development and Experiment of Electronic Toe-End Frac Sliding Sleeve

It has high economic benefits to use the toe-end frac sliding sleeve to replace coiled tubing perforation in the first section fracturing construction of horizontal wells.However，the conventional toe-end sliding sleeve is difficult to meet the first section fracturing of oil and gas wells with narrow opening pressure window；therefore，an electronic toe-end frac sliding sleeve was developed in the paper.With the help of a specially designed low-cost locking and unlocking control system，the customized pressure waveform was used to realize remote triggering unlocking，effectively avoiding the risks related to pressure of sliding sleeve during the construction process.Moreover，the structure and function of electronic toe-end frac sliding sleeve were designed，and the pressure signal acquisition accuracy，overall energy consumption and unlocking performance of it were tested on the ground.The research results show that the pressure acquisition accuracy is affected by the friction of the sealing element；when the pressure exceeds 50 MPa，the difference between the collected pressure and the actual pressure remains stable at about 3 MPa；the electronic toe-end frac sliding sleeve only needs 9 mA of continuous working current in a 150 ℃ environment，and the overall energy consumption is 216 mA·h/d；in ground tests，the electronic toe-end frac sliding sleeve can successfully recognize pressure waveform signals and unlock electromagnetic hydraulic locks，with a maximum test pressure coming to 98 MPa.The research results provide choices for oil and gas development of deep and ultra-long horizontal sections.

fracturing tool；toe-end sliding sleeve；electronic sliding sleeve；pressure signal；electromagnetic hydraulic lock

0 引 言

在深層頁巖氣井和超長水平段井采用連續(xù)管和爬行器進行首段射孔需要花費較長的井場作業(yè)時間和作業(yè)成本，而采用趾端壓裂滑套進行首段壓裂已被證實具有較高的經(jīng)濟效益［1-4］。趾端壓裂滑套的工作原理是在下套管固井過程中，趾端滑套隨管柱一起下入到井中，當需要進行壓裂施工時，通過井口施加一定的壓力，可直接開啟趾端滑套，實現(xiàn)管柱內(nèi)和地層之間的溝通，完成油氣井首段壓裂。現(xiàn)有趾端滑套一般在入井之前提前采用剪切銷釘、爆破閥等工具設置好啟動壓力［5-7］，在施工時，通過井口施加高于啟動壓力的壓力值來開啟趾端滑套。針對頁巖氣井在壓裂前需要全井筒試高壓的要求，近年具有延時開啟功能的趾端滑套也被應用到頁巖氣井的壓裂中［8-11］，其主要采用流體流經(jīng)微型節(jié)流閥、循環(huán)壓力棘輪、可溶剪釘?shù)葋韺崿F(xiàn)延時和多次試壓要求。

趾端滑套的開啟壓力設定一般需要低于油氣井的最高施工壓力，為了防止趾端滑套提前啟動，需要將趾端滑套的啟動壓力設置在固井最高壓力和施工最高壓力之間，并留有壓力波動空間［12-13］。然而，隨著深層頁巖氣的逐漸開發(fā)，一些采用高密度鉆井液固井的頁巖氣井，在固井過程中的壓力較高，與最高施工壓力之間的差值較小，使得趾端滑套設置啟動壓力的范圍變窄；而且剪切銷釘和爆破閥的材料和加工誤差造成的壓力波動范圍較難精確控制，使趾端滑套的施工風險增加［14-15］，常規(guī)的機械式趾端滑套難以適應這類油氣井。鑒于此，本文結合頁巖氣壓裂施工工藝，提出了一種電子趾端滑套，其采用特殊設計的低成本鎖定與開啟控制系統(tǒng)，通過定制的壓力波形來觸發(fā)開啟，克服了滑套在施工過程中與壓力相關的風險，不僅對各種井況有著更好的適應性，而且兼顧經(jīng)濟和可靠性，可為頁巖氣井首段壓裂提供新的解決方案。

1 電子趾端滑套總體設計

1.1 結構設計

電子趾端滑套總體結構如圖1所示。適用于139.7 mm（51/2 in）井眼的電子趾端滑套總長1 400 mm，最小內(nèi)通徑104 mm，承壓能力140 MPa。滑套本體周向上設計有壓裂孔眼，其在組裝及入井狀態(tài)下靠內(nèi)滑套的2個密封圈將滑套內(nèi)外隔離及密封。本體內(nèi)部和內(nèi)滑套外部組合后形成一個環(huán)空的液壓油腔。電控短節(jié)上對稱布置有2條長細孔與液壓油腔連通，通過長細孔往腔體內(nèi)注滿液壓油，整套鎖定與開啟系統(tǒng)被密閉封裝在電控短節(jié)上的環(huán)空中。由于內(nèi)滑套為壓差式結構，當井內(nèi)有壓力時，內(nèi)滑套會被推力有移動的趨勢，并將壓力傳遞到液壓油腔中，然后通過電控短節(jié)上的長細孔傳遞到鎖定與開啟系統(tǒng)。為了保證內(nèi)滑套不移動，鎖定與開啟系統(tǒng)需提供足夠的密封能力，封堵住長細孔使內(nèi)滑套被液壓鎖定。當達到開啟條件時，鎖定與開啟系統(tǒng)將不再密封這一長細孔，液壓油腔內(nèi)的液壓油將從小孔中流出，使內(nèi)滑套不再被液壓鎖定。此時，內(nèi)滑套在井內(nèi)壓力的作用下將移動開啟，井筒內(nèi)通過滑套上的壓裂孔實現(xiàn)與地層的溝通，進行壓裂作業(yè)。

電子趾端滑套與大部分電控和智能滑套相比的一個顯著的特點是，其開啟的驅動力仍然是井內(nèi)的壓力，這樣滑套不再需要采用復雜的空心電機或液壓回路來驅動內(nèi)滑套的動作，從而大大簡化滑套結構與電控系統(tǒng)部件，降低了滑套成本，提高了其應用的可靠性。

電子趾端滑套在承內(nèi)壓140 MPa，承外壓60 MPa時的有限元分析應力云圖如圖2所示。滑套采用35CrMo材料加工，其屈服強度835 MPa，抗拉強度985 MPa。滑套的最大應力在電控短節(jié)上的長細孔上，該部位對滑套的整體承壓無影響，其余部位應力均在材料屈服極限內(nèi)，滿足承壓要求。

1.2 鎖定與開啟系統(tǒng)

根據(jù)電子趾端滑套的結構設計，為了使內(nèi)滑套按需移動，露出壓裂孔，需要一套可控的封堵和釋放電控短節(jié)上長細孔通道的微型鎖定與開啟系統(tǒng)，并將其密封在電控短節(jié)的環(huán)空中。因此，設計了帶密封圈的液壓推桿來封堵住這一長細孔。由于液壓油腔體內(nèi)的壓力與滑套受到的井內(nèi)壓力一樣，鎖定系統(tǒng)的液壓推桿必定受到較大的推力。設計的封堵和釋放長細孔通道的微型電磁式液壓鎖見圖3，其承壓能力達到140 MPa以上，但最大外徑只有22 mm，有效保證了趾端滑套的結構緊湊性和大通徑的設計。封堵另一個長細孔道的是壓力信號采集裝置，其通過監(jiān)測液壓油腔內(nèi)的油壓實現(xiàn)對井筒內(nèi)壓力信號的采集。典型的鎖定與開啟系統(tǒng)如圖3所示，其包含電磁式液壓鎖、壓力信號采集裝置，控制系統(tǒng)與供電系統(tǒng)。控制系統(tǒng)內(nèi)的程序可根據(jù)現(xiàn)場不同的井況要求通過上位機進行編輯定制，實現(xiàn)趾端滑套開啟信號設定與延時功能。

1.3 功能設計

電子趾端滑套相比于常規(guī)機械式趾端滑套的最大優(yōu)勢在于其獨特的開啟方式，井內(nèi)壓力峰值不再是其唯一的開啟信號。這樣，電子趾端滑套在入井前可以設定極高的鎖定力，保證滑套工具在入井、試壓、開啟過程中不再需要擔心壓力相關風險，大大提高其應用的可靠性。電子趾端滑套上配備的壓力信號采集裝置可以采集井筒內(nèi)的壓力，滑套在入井之前，會對滑套開啟的特殊壓力信號進行設置。滑套入井之后，壓力信號采集裝置會持續(xù)采集井內(nèi)壓力信號，并與預先寫入控制系統(tǒng)內(nèi)的壓力信號進行對比，當識別到匹配信號后，控制系統(tǒng)會解鎖電磁式液壓鎖，實現(xiàn)電子趾端滑套的開啟。

圖4為一個典型的壓力開啟信號波形隨時間的關系。這個壓力波形經(jīng)歷了4個階段。其中藍線為設定的壓力信號與時間的關系，藍線周圍的陰影為允許的壓力波動范圍;紅線為實際的加壓曲線。只要紅線在藍線周圍的陰影范圍內(nèi)，即實際的加壓曲線在壓力信號允許的壓力波動范圍內(nèi)，則認為這一壓力信號為有效信號。滑套鎖定與開啟系統(tǒng)識別到有效信號后，會執(zhí)行相應的操作。各階段的壓力信號p0、p1、p2、p3和時間點t1、t2、t3、t4需要根據(jù)現(xiàn)場的施工能力提前設定。其中最低壓力p0不應低于管柱內(nèi)的靜液柱壓力，最高壓力p3不應高于現(xiàn)場最高施工壓力。各階段之間的時間差值Δt需要考慮現(xiàn)場的加壓速率，并根據(jù)各階段的壓力差值Δp合理設置。

2 地面測試

2.1 壓力信號采集裝置精度測試

為了驗證壓力信號采集系統(tǒng)的信號采集精度，在壓力試驗機上進行了等效模擬測試，如圖5所示。

利用壓力機給液壓推桿施加軸向力來模擬等效液壓油對推桿的壓力，測試數(shù)據(jù)如圖6所示。此次測試的等效壓力范圍為0～140 MPa。當壓力低于20 MPa時，傳感器壓力值與壓力機數(shù)據(jù)符合度較好，差值在0.6 MPa左右波動；當壓力逐漸升高到50 MPa時，傳感器壓力值與壓力機數(shù)據(jù)差值逐漸增大，從0.6 MPa增加到3.0 MPa；當壓力高于50 MPa時，傳感器壓力值與壓力機數(shù)據(jù)差值在3.0 MPa左右波動，其誤差范圍為2.2%～6.0%。這一誤差主要由活塞推桿與缸體之間密封件的摩擦阻力引起，可以通過優(yōu)化密封件設計和提高活塞和缸體表面質量來進一步減小摩擦阻力，提高壓力信號采集系統(tǒng)的精度。

2.2 壓力信號采集裝置能耗測試

由于電子趾端滑套采用無纜設計，供電系統(tǒng)也封裝在滑套上的電控短節(jié)中，能耗測試能為高溫電池組的能量需求提供參考，實現(xiàn)合理的供電設計，保證滑套在井下的可靠工作時間。根據(jù)壓力信號采集裝置的功能設計，壓力傳感器在入井后就會持續(xù)采集井內(nèi)的壓力信號，并與設定的壓力波形信號進行匹配，這樣壓力信號采集裝置與控制系統(tǒng)會持續(xù)工作；而關于電磁式液壓鎖的能耗，只需要在壓力信號匹配完成后執(zhí)行。因此，需要測量壓力信號采集裝置與控制系統(tǒng)持續(xù)工作時的能耗，以及電磁式液壓鎖解鎖的瞬時能耗。

圖7為能耗測試試驗裝置。為模擬滑套在井下的高溫環(huán)境，將待測的壓力信號采集裝置、控制系統(tǒng)和電磁式液壓鎖均安放在高溫試驗箱中，溫度設定為150 ℃，并采用直流電源供電和讀取電流信號，供電電壓為5 V。壓力信號采集裝置與控制系統(tǒng)持續(xù)工作時的供電電流穩(wěn)定在9 mA，開啟電磁式液壓鎖的供電電流平均值約為880 mA，如圖8所示。這樣壓力信號采集裝置的整體能耗為216 mA·h/d，具有較低的功耗。開啟電磁式液壓鎖的電流雖然較高，但其持續(xù)時間很短，整體功耗也很低。

2.3 電子趾端滑套功能測試

2023年5月，在德州大陸架石油工程技術有限公司的高壓測試系統(tǒng)上進行了電子趾端滑套的功能測試，如圖9所示。鎖定與開啟系統(tǒng)安裝在電控短節(jié)的環(huán)空中，為了便于調試與功能測試，沒有裝配電控短節(jié)外殼。利用萬用表單獨接線采集傳感器數(shù)據(jù)，不僅可以實時讀取滑套內(nèi)的真實壓力，監(jiān)控滑套的工作狀態(tài)，還可以進一步對比泵壓與滑套內(nèi)壓力的關系。在控制系統(tǒng)中提前設定好的開啟壓力范圍如圖10中陰影部分所示，為4個階段：第1階段在15～45 MPa之間保持不短于5 min；第2階段在35～65 MPa之間保持不短于5 min；第3階段在55～85 MPa之間保持不短于5 min；第4階段在75～105 MPa之間保持不短于25 min。通過調整泵壓的加載速率，使其完全落在設定的開啟壓力范圍內(nèi)，滑套最高試壓到98 MPa，在到達設定的時間后，滑套順利開啟。

3 結 論

（1）設計的電子趾端滑套適用于139.7 mm（51/2 in）井眼，最小內(nèi)通徑104 mm，承壓能力達到140 MPa。

（2）設計的鎖定與開啟系統(tǒng)能夠有效地采集井筒內(nèi)的壓力信號，其壓力采集精度受密封件摩擦影響，在0～140 MPa之間，采集的壓力與實際的壓力差值先符合較好，然后逐漸增大到3 MPa，最后在3 MPa左右波動。

（3）鎖定與開啟系統(tǒng)供電電壓5 V，供電電流只需9 mA，開啟電磁式液壓鎖的瞬時電流為880 mA，電子趾端滑套在150 ℃環(huán)境下工作的能耗為216 mA·h/d。

（4）電子趾端滑套在地面試驗中能夠成功識別壓力波形信號并解鎖電磁式液壓鎖，試驗最高壓力達到98 MPa。

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