新型等通徑鍵槽式滑套壓裂技術(shù)

朱玉杰，趙建軍，魏 遼

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

0 引 言

隨著頁(yè)巖氣、致密砂巖油氣等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)，水平井分段壓裂技術(shù)已成為非常規(guī)油氣藏開發(fā)的有效手段之一[1-8]。國(guó)內(nèi)外的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層開發(fā)大都采用泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)或投球式滑套壓裂技術(shù)。與泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)相比，投球式滑套壓裂技術(shù)采用預(yù)制管柱施工、一次下入、連續(xù)投球作業(yè)的方式，具有施工方便、可靠性高、節(jié)約施工時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。然而隨著投球式滑套技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各油田大規(guī)模的推廣應(yīng)用，其無法實(shí)現(xiàn)全通徑、后續(xù)儲(chǔ)層改造困難的技術(shù)難題也逐漸暴露出來[9-14]。鑒于投球式滑套技術(shù)的不足，國(guó)外多家公司相繼開發(fā)了多種全通徑壓裂滑套技術(shù)，但這些技術(shù)均需起下開關(guān)滑套或打撈球座方可實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)全通徑，同樣增加了施工周期和施工難度[15-20]?；诖耍岢隽艘环N新型等通徑鍵槽式滑套分段壓裂技術(shù)。該滑套通過泵送專用打開工具打開滑套，施工快捷迅速，且壓裂后無需下鉆鉆除球座即可實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)的全通徑，節(jié)省了施工時(shí)間和成本。

1 工藝結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理

等通徑鍵槽式滑套技術(shù)主要由鍵槽式滑套和配套的專用打開工具組成。

1.1 等通徑鍵槽式滑套

等通徑鍵槽式滑套主要由上接頭、外殼、內(nèi)套、鍵槽結(jié)構(gòu)、卡簧和下接頭組成(圖1)。外殼上開有均勻分布的壓裂孔，用于與地層連通以建立壓裂通道。內(nèi)套內(nèi)部設(shè)有均勻分布的鍵槽結(jié)構(gòu)，鍵槽結(jié)構(gòu)上下均為斜面，起導(dǎo)向作用，通過調(diào)整鍵槽的寬度可實(shí)現(xiàn)滑套的分級(jí)；內(nèi)套上下兩端設(shè)有滑套開關(guān)定位槽，用于后期進(jìn)行開關(guān)作業(yè)。當(dāng)內(nèi)套下移時(shí)，滑套打開，開啟壓裂孔，進(jìn)行壓裂施工?；状蜷_后，卡簧彈入外殼的卡簧槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)滑套在打開狀態(tài)時(shí)的定位和鎖緊。

圖1 等通徑鍵槽式滑套

常規(guī)投球式滑套由于球座的存在，在內(nèi)徑上形成級(jí)差，在井筒內(nèi)由上向下逐級(jí)內(nèi)徑遞減，限制了壓裂級(jí)數(shù)和后期的采油通道。鍵槽結(jié)構(gòu)是該滑套技術(shù)的核心部件(圖2)，即在內(nèi)套上加工出對(duì)稱的斜面和寬度為D的鍵槽，該鍵槽用于通過打開工具上的鍵(圖3)。通過調(diào)整鍵槽的寬度和鍵的寬度d形成級(jí)差，每一級(jí)滑套的內(nèi)徑是一樣的，只是鍵

圖2 鍵槽結(jié)構(gòu)圖3 鍵結(jié)構(gòu)

槽的寬度不同，由上往下鍵槽的寬度逐漸減小，沒有造成內(nèi)徑上的“損失”，形成了等通徑。

由于壓裂施工中壓裂液排量較大，且壓裂液中存在大量石英石、陶粒等顆粒，對(duì)滑套內(nèi)部鍵槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的沖蝕效應(yīng)，進(jìn)而影響鍵槽與打開工具的配合。為解決沖蝕磨損造成的影響，對(duì)鍵槽結(jié)構(gòu)斜面和尖角處進(jìn)行圓弧設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行滲氮強(qiáng)化處理，提高硬度和耐磨性，進(jìn)而顯著提高滑套的耐沖蝕性能。

1.2 專用打開工具

專用打開工具主要由導(dǎo)向頭、膠碗和導(dǎo)向塊組成(圖4)。導(dǎo)向頭和膠碗主要用于專用打開工具的導(dǎo)向和扶正，并且利于打開工具的泵送到位及返排。導(dǎo)向塊上設(shè)有均勻分布的鍵，鍵兩端均設(shè)有倒角，利于導(dǎo)入滑套鍵槽內(nèi)。打開工具采用雙向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)泵送到位，還可以在壓裂后返排出井口。

圖4 專用打開工具

專用打開工具在周向上設(shè)有均勻分布的鍵，該鍵用以與滑套內(nèi)部的鍵槽配合。施工時(shí)通過泵送將打開工具輸送到與其配套的滑套處，然后管柱內(nèi)加壓，打開工具推動(dòng)滑套內(nèi)套下移，從而開啟滑套。其詳細(xì)的工藝原理是：當(dāng)打開工具上的鍵的寬度小于滑套上的鍵槽的寬度時(shí)，打開工具可順利通過滑套，如圖5所示，直至到達(dá)對(duì)應(yīng)級(jí)滑套；當(dāng)鍵的寬度大于鍵槽的寬度時(shí)，打開工具上的鍵和滑套上的鍵槽結(jié)構(gòu)形成配合，如圖6所示，此時(shí)管內(nèi)繼續(xù)憋壓，打開滑套。該結(jié)構(gòu)可由鍵的寬度來決定滑套的開啟，擺脫了投球式滑套管柱內(nèi)通徑對(duì)憋壓球直徑的約束，從理論上可以實(shí)現(xiàn)無限級(jí)壓裂。

圖5 鍵通過鍵槽

圖6 鍵與鍵槽配合

專用打開工具的導(dǎo)向塊設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，當(dāng)量密度達(dá)到1.6 g/cm3，與高分子材料相當(dāng)，提高了工具的泵送下入能力。導(dǎo)向塊和導(dǎo)向頭采用輕質(zhì)可溶解金屬材料，即使不能返排也可在井內(nèi)溶解。打開工具上的膠碗也采用可溶解橡膠材料，如果打開工具不能順利返排出井口，膠碗也可在井內(nèi)壓裂液環(huán)境下降解。

打開工具的溶解性能是該工具的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)打開工具的使用工況，將金屬材料樣塊在90 ℃、3%的氯化鉀溶液中進(jìn)行溶解性能測(cè)試，2 h后，材料表面產(chǎn)生大量白色氧化物，29 h后，樣塊全部解體。經(jīng)測(cè)試，金屬材料樣塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了400 MPa，且在90 ℃、3%的氯化鉀溶液中分解速率達(dá)到了30 mg/(h·cm2)。測(cè)試結(jié)果表明，該材料實(shí)現(xiàn)了打開工具在井內(nèi)承壓和溶解的要求。同時(shí)對(duì)膠碗中的可溶橡膠材料在90 ℃、2%的KCl溶液中進(jìn)行溶解測(cè)試，經(jīng)過230 h后，溶解為顆粒狀，同樣滿足了膠碗在井內(nèi)的溶解要求。

1.3 工藝流程

等通徑鍵槽式滑套分段壓裂管柱主要由隔離閥、壓差式滑套、封隔器、鍵槽式滑套、封隔懸掛器和打開工具投入裝置組成(圖7)。

根據(jù)油氣藏產(chǎn)層情況，確定滑套安放位置后，工藝管串隨套管按圖7順序下入到井下預(yù)置位置，循環(huán)洗井后，投入憋壓球，憋壓球落到隔離閥上，憋壓坐封封隔懸掛器和封隔器，將井下儲(chǔ)層分隔成若干段。繼續(xù)憋壓打開壓差式滑套，進(jìn)行第1級(jí)壓裂作業(yè)。第1級(jí)壓裂作業(yè)完畢后，在井口投入滑套打開工具，通過泵送使其到達(dá)對(duì)應(yīng)的滑套位置，憋壓打開滑套，進(jìn)行該級(jí)壓裂施工。通過逐級(jí)投入不同鍵寬的滑套打開工具，完成分段壓裂作業(yè)。壓裂施工結(jié)束后，在地層流體和壓力下，所有打開工具均可返排出井口或在井內(nèi)溶解。

1.4 工藝特點(diǎn)

(1) 泵送專用打開工具打開滑套，施工快捷迅速、可靠性高。

(2) 每級(jí)滑套內(nèi)徑相同，可實(shí)現(xiàn)壓裂后全通徑，無需鉆除作業(yè)，利于后期作業(yè)的實(shí)施。

(3) 滑套具有開關(guān)功能，后期可關(guān)閉出水層。

(4) 打開工具可返排出井口或在井內(nèi)溶解，作業(yè)安全性高。

1.5 技術(shù)參數(shù)

適用Φ114.3 mm以上套管；耐溫為150 ℃，耐壓為70 MPa，打開壓力為20 MPa，額定負(fù)荷為1 200 kN；滑套外徑為142.0 mm，長(zhǎng)度為1 200 mm。

2 性能測(cè)試

為檢驗(yàn)等通徑鍵槽式滑套的各項(xiàng)功能和性能，在樣機(jī)試制完成后，進(jìn)行了地面性能實(shí)驗(yàn)，包括等通徑鍵槽式滑套整機(jī)承壓密封實(shí)驗(yàn)、專用打開工具通過性實(shí)驗(yàn)、滑套打開實(shí)驗(yàn)以及專用打開工具的溶解性能實(shí)驗(yàn)等。表1為其中2次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的等通徑鍵槽式滑套的的整體密封能力達(dá)到70 MPa，打開工具可順利通過滑套，并打開對(duì)應(yīng)級(jí)滑套，打開工具可實(shí)現(xiàn)溶解功能。

圖7 等通徑鍵槽式滑套分段壓裂管柱

實(shí)驗(yàn)參數(shù)整機(jī)密封壓力/MPa打開工具通過壓力/MPa滑套打開壓力/MPa設(shè)計(jì)值70<2.020.0實(shí)驗(yàn)1701.220.2實(shí)驗(yàn)2701.120.4

等通徑鍵槽式滑套完成地面性能實(shí)驗(yàn)后，在中海油能源發(fā)展公司JJSY-2H井完成了模擬入井試驗(yàn)。JJSY-2H井為一口水平井，井深為2 200 m，水平段長(zhǎng)度為400 m，Φ114.3 mm套管連接5級(jí)滑套，下至水平井段，依次投入5 級(jí)專用打開工具打開各級(jí)滑套，均在設(shè)定壓力下順利打開滑套(表2)。工具的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

表2 模擬入井試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用前景分析

水平井分段壓裂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣藏高效開發(fā)的有力手段。常用的分段壓裂技術(shù)有泵送橋塞與射孔聯(lián)作技術(shù)、連續(xù)油管底封拖動(dòng)技術(shù)和投球式多級(jí)滑套壓裂技術(shù)。表3為等通徑鍵槽式滑套技術(shù)與上述分段壓裂技術(shù)的對(duì)比。通過對(duì)比可看出，等通徑鍵槽式滑套技術(shù)可適用于裸眼或固井等

表3 等通徑鍵槽式滑套技術(shù)與其他分段壓裂技術(shù)對(duì)比

完井方式，壓裂后無需進(jìn)行鉆除作業(yè)，節(jié)省施工時(shí)間，降低綜合成本，且施工效率較高，滿足體積改造的施工要求。

在非常規(guī)油氣領(lǐng)域，采用等通徑鍵槽式滑套技術(shù)，可解決現(xiàn)有頁(yè)巖氣藏壓裂工藝作業(yè)工序多、施工周期長(zhǎng)、作業(yè)費(fèi)用高等問題，具有工序少、分段級(jí)數(shù)不受限、管柱全通徑、孔眼更清潔、改造后直接投產(chǎn)等特點(diǎn)。因此，該技術(shù)可作為新型的分段壓裂技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂中試驗(yàn)并推廣應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與建議

(1) 等通徑鍵槽式滑套通過泵送專用的打開工具打開，壓裂結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)全通徑，無需進(jìn)行鉆除作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快速壓裂、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。

(2) 地面實(shí)驗(yàn)和模擬入井試驗(yàn)結(jié)果表明，打開工具的溶解、通過和打開功能均能順利實(shí)現(xiàn)，各技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)分段壓裂施工的要求。

(3) 等通徑鍵槽式滑套技術(shù)可降低綜合施工成本，具有較好的適用性和應(yīng)用前景。建議擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，進(jìn)一步驗(yàn)證和提高工具的可靠性，早日實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)非常規(guī)油氣藏的降本增效提供技術(shù)支持。