全通徑可控無限級滑套完井工具的研究*

何愛國，張冬杰

(1.中國石油集團工程技術研究院有限公司 北京 102206；2.西安康普威能源技術有限公司 陜西 西安 710075)

0 引 言

水平井裸眼分段壓裂技術是提高低孔、低滲、低壓非常規(guī)油氣藏產(chǎn)能的主要手段。目前，常規(guī)的水平井分段壓裂技術有水力噴射壓裂技術、封隔器投球壓裂技術、橋塞分段壓裂技術、環(huán)空分段壓裂技術、連續(xù)油管壓裂技術及多種工藝的復合分段壓裂技術等[1]。然而這些技術在應用中均暴露出了其局限性：①壓裂作業(yè)完成后壓裂通道一直保持打開狀態(tài)，然而水平井在開采中容易出現(xiàn)井筒過早見水的情況，對產(chǎn)能造成非常不利的影響[2]。②橋塞、滑套等工具在壓裂施工完成后需要進行鉆磨才能達到全通徑，不利于進行生產(chǎn)及后期測試作業(yè)，且施工復雜并增加了作業(yè)風險[3-5]。③封隔器投球壓裂技術雖然施工簡單、作業(yè)效率高，但由于投球尺寸的級差限制了分段數(shù)量；而橋塞分段壓裂等雖然理論上可以進行無限級分段壓裂，但施工復雜，工時長、效率低。

為了解決常規(guī)水平井多級分段壓裂技術的不足，開展了全通徑可控無限級滑套完井技術研究。全通徑可控無限級滑套完井工具包括可開關滑套工具及配套的機械開關工具，可實現(xiàn)入井管柱全通徑，任意層段可實現(xiàn)選擇性壓裂或二次壓裂作業(yè)；后期針對出水層位可通過下入開關工具對滑套進行選擇性開關，實現(xiàn)水平井堵水和分段選擇性測試[6-7]；無需投球坐封，不受球座級差限制，理論上可實現(xiàn)無限級分段壓裂。

1 技術分析

1.1 工作原理

全通徑可控無限級滑套完井工藝預置管柱主要由注水泥分級箍、裸眼封隔器、可開關滑套、碰壓球座、滾動引鞋組成，管柱結構如圖1所示。

1)壓裂過程

圖1 全通徑可控無限級滑套完井工藝預置管柱

按照設計下入全通徑可控無限級滑套完井工藝預置管柱，通過分級箍進行上部水泥固井作業(yè)后，投球打壓坐封各封隔器。將油管與開關工具連接組成的壓裂拖動管柱下入到第一級開關滑套工具以下1～2根套管位置處，油管內(nèi)打壓至開關工具設計動作壓力，并緩慢上提油管，記錄上提摩阻。當臨近滑套開關位置時再次放慢上提速度，觀察懸重表，懸重有瞬間下降時說明此時開關工具已進入開關滑套內(nèi)。繼續(xù)緩慢上提油管，懸重上升5t后下放油管至自然懸重；此時開關滑套工具的壓裂孔道已打開，可以進行第一級壓裂作業(yè)；壓裂作業(yè)后，再次上提、下放油管，此時開關滑套工具壓裂孔道關閉，將油管內(nèi)泄壓后拖動壓裂管柱至第二級滑套位置；按照上述方法依次對各級開關滑套進行打開→壓裂→關閉作業(yè)，直至壓裂作業(yè)全部完成。

2)正常投產(chǎn)

壓裂完畢后，沖洗井內(nèi)壓裂返砂，將開關工具下入至井底，按照上述開關滑套工具的打開方法依次將其全部打開或選擇性打開即可正常投產(chǎn)。

3)后期選擇性開關

水平井分段壓裂完井后進行生產(chǎn)，如監(jiān)測到某段滑套位置層段生產(chǎn)時出水嚴重，即可對該層段開關滑套實施關閉作業(yè)。將油管與開關工具連接組成的拖動管柱下入到目的層位開關滑套工具以下1～2根套管位置處，按照上述方法通過開關工具的上提、下放拖動將該開關滑套工具壓裂孔道關閉。

1.2 全通徑可控無限級滑套完井工具結構

全通徑可控無限級滑套完井工具包含可開關滑套工具和開關工具，可開關滑套工具按設計要求連接完井管柱預置入井，壓裂拖動管柱連接開關工具入井對可開關滑套工具進行開啟或關閉作業(yè)。

可開關滑套工具主要由復位彈簧、外管、導向銷釘和復位滑套組成，如圖2所示。復位滑套部件是可開關滑套工具執(zhí)行打開和關閉動作的關鍵部件，結構如圖3所示。該復位滑套部件上加工有高精度換向槽，通過開關工具拖動其上、下運動，導向銷釘迫使復位滑套旋轉(zhuǎn)后依次進入換向槽的長、短槽內(nèi)，由此實現(xiàn)可開關滑套工具壓裂通道的選擇性開關。

1-上短管；2-上接頭；3-復位彈簧；4-內(nèi)襯管；5-外管；6-支撐套；7-導向銷釘；8-復位滑套；9-下接頭；10-下短管圖2 可開關滑套工具結構示意圖

圖3 復位滑套部件結構示意圖

開關工具主要由上接頭、活塞、復位彈簧、液壓缸、彈性擴張頭等組成，主要功能為連接油管組成壓裂拖動管柱入井對目的層位預置的可開關滑套工具實施打開、關閉作業(yè)。通過油管內(nèi)打壓可推動活塞下行迫使彈性擴張頭漲開，由此嵌入可開關滑套工具的內(nèi)部凹槽對其實施開、關作業(yè)。開關工具結構如圖4所示。

1-上接頭；2-活塞；3-復位彈簧；4-液壓缸；5-彈性擴張頭圖4 開關工具結構示意圖

1.3 性能特點

1)技術特點

①通過復位滑套與導向銷釘?shù)呐浜?，實現(xiàn)可開關滑套工具壓裂通道的選擇性開關，對于壓裂后或生產(chǎn)后期部分壓裂層的出水情況進行有效控制，延長生產(chǎn)時間，提高產(chǎn)量。②結構簡單，內(nèi)徑為全通徑尺寸，壓裂施工完成后無需鉆磨等其他作業(yè)即可投入生產(chǎn)。③無需投球坐封，不受級差限制，理論上可實現(xiàn)無限級分段壓裂。

2)技術參數(shù)

2 性能評價試驗

2017年11月對全通徑可控無限級滑套完井工具進行了多項參數(shù)指標的地面實驗。

2.1 密封性能試驗

將組裝好的可開關滑套工具及開關工具分別與電動試壓泵連接，試驗可開關滑套及開關工具的整體密封性能。以清水為介質(zhì)，開泵加壓至70 MPa，穩(wěn)壓10 min無壓降，說明可開關滑套及開關工具的密封性能良好，整體密封能力達到70 MPa。

2.2 開關性能試驗

根據(jù)全通徑可控無限級滑套完井工具工藝原理設計加工了配套的開關動作性能試驗工裝。將開關工具連接安裝試驗工裝后模擬送入可開關滑套內(nèi)，試驗工裝連接兩臺電動試壓泵，一臺用于提供使開關工具膨脹擴張的模擬油管內(nèi)壓；另一臺用于推動試驗工裝的液缸使其拖動開關工具上行，并帶動可開關滑套實現(xiàn)打開和關閉操作。當完成來回開關操作5次后，泄壓，提出開關工具，連接加壓堵頭再次對可開關滑套工具進行整體密封性能試驗，加壓至70 MPa，穩(wěn)壓10 min無泄漏，說明可開關滑套工具在5次開關后密封能力仍然良好。

2.3 模擬固井性能試驗

為測試全通徑可控無限級滑套完井工具在環(huán)空固井狀態(tài)下的開關動作性能，定制直徑Ф500 mm、長1 m的金屬外管，將其套裝于可開關滑套工具上灌注固井水泥漿，候凝完成后對其再次進行開關性能試驗和密封性能試驗。開關性能試驗過程中，可開關滑套工具開啟和關閉操作均順利完成，開啟拉力為22 kN。密封性能試驗加壓至70 MPa，穩(wěn)壓10 min無泄漏。

3 結 論

1)全通徑可控無限級滑套完井工具通過復位滑套與導向銷釘?shù)呐浜希瑢崿F(xiàn)可開關滑套工具壓裂通道的選擇性開關，對于壓裂后或生產(chǎn)后期部分壓裂層的出水情況進行有效控制，延長生產(chǎn)時間，提高產(chǎn)量。

2)全通徑可控無限級滑套完井工具在壓裂施工完成后無需鉆磨等其他作業(yè)即可投入生產(chǎn)。無需投球坐封，不受級差限制，理論上可實現(xiàn)無限級分段壓裂。

3)通過分析可開關滑套的關鍵技術及地面性能試驗，驗證了可開關滑套的性能滿足設計要求，結構設計合理，可以順利實現(xiàn)打開及關閉功能。