壓裂滑套不限級設(shè)計方式研究現(xiàn)狀與展望

曾明勇，周怡君，趙 偉

(中國石化西南油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000)

水平井分段壓裂是非常規(guī)油氣經(jīng)濟高效開發(fā)的重要手段[1-2]。多級滑套分段壓裂作為水平井分段壓裂的重要支撐，近年來在非常規(guī)油氣開發(fā)中廣泛推廣應(yīng)用。該技術(shù)實現(xiàn)了非常規(guī)油氣的產(chǎn)能突破，為非常規(guī)油氣壓裂工程技術(shù)提質(zhì)增效提供了強大支撐[3]。壓裂滑套是多級滑套分段壓裂的關(guān)鍵工具[4]。在非常規(guī)油氣不斷突破開發(fā)技術(shù)界限的工程實踐中，以“大排量+大規(guī)?！彼毫褜崿F(xiàn)儲層的體積改造技術(shù)對壓裂滑套提出了更多的要求[5-6]，推動壓裂滑套向著全通徑、不限級、自動化、智能化等方向發(fā)展[7-8]。在盡可能減少井筒作業(yè)工序和時間的情況下，讓壓裂滑套能夠?qū)崿F(xiàn)更多分段級數(shù)，一直是高效壓裂滑套研發(fā)追求的目標。本文系統(tǒng)性總結(jié)并展望了國內(nèi)外壓裂滑套不限級設(shè)計方式，對于壓裂滑套的不限級設(shè)計研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 滑套不限級研究現(xiàn)狀

鑒于非常規(guī)油氣開發(fā)生產(chǎn)對滑套分段級數(shù)的迫切需求，世界主要油服公司、科研院所、高等院校對不限級數(shù)的滑套開展了深入地研究，形成了以井下開關(guān)工具組合、機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)以及智能電控系統(tǒng)觸發(fā)為主的滑套不限級設(shè)計方式。

1.1 井下開關(guān)工具組合

利用連續(xù)油管帶井下開關(guān)工具組合實現(xiàn)不限級的滑套是一種壓差滑套，通常與底部帶封隔器的井下開關(guān)工具組合配合使用，通過液壓驅(qū)動開啟滑套。NCS Energy Services公司貓鼬式滑套[9](如圖1)、Baker Hughes公司OptiPortTM滑套[10]均是通過連續(xù)油管下入特定的井下開關(guān)工具組合，到定位位置后坐封封隔器，環(huán)空加壓開啟滑套。這類滑套能在連續(xù)油管允許下入的長度范圍內(nèi)實現(xiàn)盡可能多的分段級數(shù)，但是其作業(yè)過程高度依賴連續(xù)油管入井長度和開關(guān)工具組合的精確定位，并且壓裂過程中受到井筒內(nèi)連續(xù)油管的影響，施工排量通常存在不同程度的限制。

圖1 貓鼬式滑套及開啟工具結(jié)構(gòu)

1.2 機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)

機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)依靠彈性結(jié)構(gòu)結(jié)合齒槽、鍵槽等特征結(jié)構(gòu)，在滑套筒體軸向和周向上進行機械限位設(shè)計，或機械計數(shù)器設(shè)計。

Weatherford公司I-ball滑套[11](如圖2)是利用彈性球籠結(jié)合滑套內(nèi)筒軸向上的齒槽結(jié)構(gòu)進行機械計數(shù)。通過在滑套內(nèi)筒軸向設(shè)計特定數(shù)量的凹槽單元，當(dāng)壓裂球通過彈性球籠時，推動彈性球籠向前行進1個凹槽單元，直至到達設(shè)計計數(shù)后，壓裂球?qū)o法通過可收縮球座形成坐封，憋壓開啟滑套。

圖2 I-ball壓裂滑套結(jié)構(gòu)

中國石化勝利石油工程公司采用類似原理，研發(fā)了計數(shù)式全通徑壓裂滑套[12](如圖3)。通過在滑套內(nèi)筒軸向設(shè)計不同數(shù)量的凹槽單元，實現(xiàn)當(dāng)投入第n個壓裂球時，在第n級形成坐封，憋壓開啟滑套。

圖3 計數(shù)式全通徑壓裂滑套結(jié)構(gòu)

中國石化石油工程技術(shù)研究院研制的等通徑鍵槽式滑套[13](如圖4)則是在滑套內(nèi)筒周向上設(shè)置均勻分布的鍵槽結(jié)構(gòu)，通過鍵槽結(jié)構(gòu)的寬度變化實現(xiàn)分級設(shè)計。當(dāng)開啟工具上鍵的寬度小于滑套內(nèi)筒上鍵槽的寬度時，開啟工具順利通過滑套；當(dāng)開啟工具上鍵的寬度大于滑套內(nèi)筒上鍵槽的寬度時，開啟工具無法通過滑套，鍵和鍵槽實現(xiàn)配合形成坐封，憋壓開啟滑套。

圖4 等通徑鍵槽式壓裂滑套與開啟工具結(jié)構(gòu)

安東石油Step-Port無限級滑套(如圖5)利用可收縮球座結(jié)合滑套內(nèi)筒周向的計數(shù)軌道實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)計數(shù)器設(shè)計。當(dāng)壓裂球到達旋轉(zhuǎn)計數(shù)器位置時，通過節(jié)流壓差形成的推動力，推動旋轉(zhuǎn)計數(shù)器工作，并使可收縮球座在計數(shù)軌道上滑動，直至到達設(shè)定次數(shù)后進入開啟軌道，使壓裂球與可收縮球座形成坐封，憋壓開啟滑套。

圖5 Step-Port無限級滑套結(jié)構(gòu)

機械計數(shù)方式對機械計數(shù)器的可靠性要求較高，并且各級滑套之間相互依賴、密切關(guān)聯(lián)，如果某級滑套無法正常開啟，將影響后續(xù)滑套正常開啟；機械限位方式則單純依靠特征結(jié)構(gòu)的幾何尺寸匹配，可以在有限的幾何空間內(nèi)設(shè)計足夠的分級組合，但對合理幾何尺寸的級差設(shè)計提出了較高的要求。實際上，任何機械結(jié)構(gòu)均需要足夠的幾何空間，機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)僅僅是一種理論上的不限級設(shè)計方式，但在具體實踐中，其能達到的分級數(shù)量往往遠超過絕大多數(shù)油氣井壓裂分段的需求。

1.3 智能電控系統(tǒng)觸發(fā)

伴隨現(xiàn)代電氣工程技術(shù)高速發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代先進技術(shù)被用于壓裂滑套的研發(fā)設(shè)計，促進了壓裂滑套技術(shù)智能化發(fā)展。TMK Completion公司Quantum投球觸發(fā)式壓裂滑套[14]采用電子計數(shù)器計數(shù)并實現(xiàn)觸發(fā)開啟，使得投入同一尺寸的壓裂球能夠觸發(fā)開啟不同設(shè)定計數(shù)的壓裂滑套。Weatherford公司RFID壓裂滑套[15]則是通過泵送2枚RFID標簽，其中一枚延遲開啟上層滑套，另一枚則關(guān)閉相鄰下一層滑套。Halliburton公司新型Elect壓裂滑套[16](如圖6)通過統(tǒng)計壓裂球中嵌入磁體的磁脈沖來計算出壓裂球的數(shù)量，當(dāng)設(shè)定數(shù)量的壓裂球通過并切換套筒狀態(tài)時，電動液壓鎖啟動開啟滑套。

圖6 新型Elect壓裂滑套

智能電控系統(tǒng)觸發(fā)方式是真正意義上實現(xiàn)滑套的不限級設(shè)計，給未來滑套的進一步發(fā)展提供了全新的技術(shù)思路。然而，受井下高溫、高壓、復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境等惡劣條件影響，現(xiàn)階段方式的可靠性難以得到充分保障，滑套在井下仍存在無法開啟的風(fēng)險。

2 滑套不限級設(shè)計展望

滑套是1個旋轉(zhuǎn)筒體結(jié)構(gòu)，具有徑向、周向和軸向3個空間維度。以分3級設(shè)計為例：如圖7a所示，以筒體直徑D為分級的特征參數(shù)，每一級依次在徑向上變化級差Δd，形成幾何尺寸為d1、d2、d3的分級，顯然徑向尺寸的有限性使得分級數(shù)量受到限制，且嚴重影響滑套通徑；如圖7b所示，以周向角度θ作為分級的特征參數(shù)，每一級依次在周向上變化級差Δθ，形成幾何尺寸為φ1、φ2、φ3的分級，圓周筒體結(jié)構(gòu)面進一步增加了分級設(shè)計的幾何空間，大幅增加了分級數(shù)量，且不會影響通徑；如圖7c所示，以軸向長度Z作為分級的特征參數(shù)，每一級依次在軸向上變化級差Δz，形成幾何尺寸分別為z1、z2、z3的分級，軸向為分級設(shè)計提供了最大的幾何空間，可以提供最大的分級數(shù)量，且不會影響通徑。

圖7 旋轉(zhuǎn)筒體結(jié)構(gòu)的3個空間維度分級設(shè)計示意圖

鑒于井下開關(guān)工具組合方式的復(fù)雜性，以及現(xiàn)階段智能電控系統(tǒng)觸發(fā)方式的不穩(wěn)定性，目前機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)方式仍是實現(xiàn)滑套不限級設(shè)計的首要選擇，其基本內(nèi)涵是將滑套分級設(shè)計的空間維度轉(zhuǎn)變到軸向或周向上。目前，常用做法是利用齒槽、鍵槽等特征結(jié)構(gòu)在滑套軸向或周向上的尺寸變化、數(shù)量變化以及尺寸和數(shù)量組合編碼來實現(xiàn)滑套的不限級設(shè)計。

2.1 特征結(jié)構(gòu)尺寸限位設(shè)計方式

利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸限位進行滑套不限級設(shè)計，主要是通過“特征結(jié)構(gòu)+尺寸限位+可溶投入式球座+可溶球”的形式，以特征結(jié)構(gòu)在滑套軸向或周向上的尺寸變化作為限位分級的依據(jù)。該方案在滑套內(nèi)筒設(shè)計有凹槽、鍵槽等結(jié)構(gòu)，并利用球座上的凸齒、鍵結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)與滑套的匹配。如圖8a所示，以軸向上設(shè)計具有凸齒的球座和具有凹槽的滑套組合為例，第1級滑套凹槽長度為x，與之匹配的凸齒長度同樣為x，后續(xù)滑套依次變化級差長度為Δx，顯然當(dāng)凸齒長度大于凹槽長度時，凸齒與凹槽無法形成嚙合，球座順利通過滑套，當(dāng)凸齒長度等于凹槽長度時，凸齒和凹槽嚙合形成坐封，憋壓開啟滑套。如圖8b所示，以周向上設(shè)計具有鍵的球座與具有鍵槽的滑套組合為例，第1級滑套鍵槽寬度為c，對應(yīng)鍵的寬度為c+ε，鍵寬度略微大于鍵槽寬度ε以便于二者嚙合，后續(xù)組合依次變化級差寬度為Δc(Δc>ε)，當(dāng)鍵寬度小于鍵槽寬度時，鍵與鍵槽無法形成嚙合，球座順利通過滑套，當(dāng)鍵寬度略微大于鍵槽寬度ε時，鍵與鍵槽嚙合形成坐封，憋壓開啟滑套。

圖8 利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸限位分級示意圖

該方式原理可靠、結(jié)構(gòu)簡單，僅依靠軸向或周向上特征結(jié)構(gòu)的幾何尺寸變化來實現(xiàn)滑套的限位分級。然而，過大或過快的特征結(jié)構(gòu)幾何尺寸變化可能嚴重影響開啟工具在管柱內(nèi)的通過性，并影響開啟工具與滑套的有效匹配，因此合理的尺寸級差設(shè)置顯得尤為重要。

2.2 特征結(jié)構(gòu)數(shù)量計數(shù)設(shè)計方式

利用特征結(jié)構(gòu)的數(shù)量計數(shù)進行滑套不限級設(shè)計，主要是通過“特征結(jié)構(gòu)+機械計數(shù)+彈性結(jié)構(gòu)+可溶球”的形式，以特征結(jié)構(gòu)在滑套軸向或周向上的數(shù)量變化作為計數(shù)設(shè)計基礎(chǔ)。該方案在滑套內(nèi)筒設(shè)計特定數(shù)量的凹槽、軌道等結(jié)構(gòu)，結(jié)合彈性球籠、彈性卡爪、可收縮球座等彈性結(jié)構(gòu)組成機械計數(shù)器，利用可溶球通過計數(shù)器時的節(jié)流壓差驅(qū)動計數(shù)器工作。如圖9a所示，機械計數(shù)器由彈性結(jié)構(gòu)上的凸齒和滑套內(nèi)筒上的凹槽組成，在軸向上利用凸齒在凹槽中滑動實現(xiàn)計數(shù)。以計數(shù)為3的滑套為例，每通過1個可溶球，具有凸齒的彈性結(jié)構(gòu)就在可溶球的節(jié)流壓差推動下向下滑動1個位置，到達設(shè)定計數(shù)后便無法再向下滑動，此時彈性結(jié)構(gòu)收縮，并與可溶球形成坐封，憋壓開啟滑套。如圖9b所示，機械計數(shù)器由彈性結(jié)構(gòu)相連的滑塊(圖中黑色圓點)和滑套內(nèi)筒上的軌道組成，在周向上利用滑塊在軌道中滑動實現(xiàn)計數(shù)。以計數(shù)為3的滑套為例，每通過1個可溶球，計數(shù)器完成1個計數(shù)行程，節(jié)流壓差推動滑塊向右運動1條軌道，到達設(shè)定計數(shù)后滑塊在最長的軌道中發(fā)生大位移運動，使得彈性結(jié)構(gòu)收縮，并與可溶球形成坐封，憋壓開啟滑套。

圖9 利用特征結(jié)構(gòu)的數(shù)量計數(shù)分級示意圖

該方式十分依靠機械計數(shù)器的彈性結(jié)構(gòu)持續(xù)有效工作，在井下復(fù)雜惡劣條件下，其穩(wěn)定性和可靠性受到極大挑戰(zhàn)。并且，機械計數(shù)方式增加了各級滑套之間的相互依賴性和相互制約性，當(dāng)其中任意滑套無法正常開啟時，后續(xù)滑套正常開啟也可能受到影響。

2.3 特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量組合編碼設(shè)計方式

利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量組合編碼進行滑套不限級設(shè)計，是對利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸限位設(shè)計方式的進一步發(fā)展，通過“特征結(jié)構(gòu)+組合編碼+可溶投入式球座+可溶球”的形式，以凸齒、凹槽等特征結(jié)構(gòu)的數(shù)量和尺寸2個變量為編碼參數(shù)，作為限位分級的基礎(chǔ)。以軸向上設(shè)計具有凸齒的球座和具有凹槽的滑套組合為例，如圖10a所示，對于滑套凹槽長度分別為x1和x2的組合，當(dāng)對應(yīng)的2個球座凸齒長度分別變化Δx1和Δx2后，凸齒與凹槽無法形成嚙合，只有當(dāng)凸齒和凹槽的幾何尺寸和數(shù)量嚴格一一對應(yīng)時，凸齒和凹槽嚙合形成坐封，憋壓開啟滑套，確保了球座與滑套的匹配性。同理，如圖10b所示，對于球座凸齒長度分別為x1和x2+Δx2的組合，當(dāng)分別通過長度不匹配或者數(shù)量不匹配的滑套凹槽組合時，球座均能順利通過滑套，確保了球座在各級滑套中的通過性。

圖10 利用尺寸數(shù)量組合編碼分級示意圖

該方式利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量雙變量組合編碼最大化，提高了分級數(shù)量，但組合編碼設(shè)計相對復(fù)雜，其關(guān)鍵在于合理可靠的組合編碼設(shè)計，以確保球座順利通過各級滑套并與目標滑套實現(xiàn)唯一匹配。該方式避免了單純依靠特征結(jié)構(gòu)幾何尺寸的變化帶來的通過性影響，利用了投入式球座，減少預(yù)置彈性結(jié)構(gòu)帶來的可靠性風(fēng)險，具有更高的可靠性和實用性。

3 結(jié)論

1) 鑒于壓裂滑套的井下開關(guān)工具組合的復(fù)雜性，以及智能電控系統(tǒng)觸發(fā)的不穩(wěn)定性，現(xiàn)階段機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)是實現(xiàn)壓裂滑套不限級設(shè)計的首要選擇，其中利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量的組合編碼設(shè)計具有更高的可靠性和實用性。

2) 利用機械結(jié)構(gòu)限位計數(shù)實現(xiàn)壓裂滑套不限級設(shè)計的基本內(nèi)涵是將壓裂滑套分級設(shè)計的空間維度轉(zhuǎn)變到軸向或周向上，并且主要是利用齒槽、鍵槽等特征結(jié)構(gòu)的尺寸變化、數(shù)量變化以及尺寸和數(shù)量組合編碼來實現(xiàn)。

3) 彈性球籠、彈性卡爪、可收縮球座、投入式球座等彈性結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)壓裂滑套不限級設(shè)計的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定且有效的彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計是壓裂滑套不限級設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。