一種活動(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具設(shè)計(jì)與研制

崔警宇 趙偉 曾明勇 劉濤

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

我國(guó)頁(yè)巖氣資源量達(dá)134萬(wàn)億立方米，位居世界第一[1]。由于頁(yè)巖孔徑為納米級(jí)，天然氣在孔隙中根本無(wú)法有效流動(dòng)，需要借助水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣資源的有效動(dòng)用。多級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)作為水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)的重要支撐，具有施工程序少、作業(yè)成本低、壓裂效率高的特點(diǎn)，為頁(yè)巖氣資源經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)提供了一種新的選擇。

根據(jù)“一把鑰匙開(kāi)一把鎖”思路設(shè)計(jì)的全通徑無(wú)級(jí)滑套系統(tǒng)，是頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)的一種全新技術(shù)手段[2]。通過(guò)“套管+全通徑無(wú)級(jí)滑套”固井、完井、壓裂可以進(jìn)一步降低頁(yè)巖氣井建井費(fèi)用?，F(xiàn)用全通徑無(wú)級(jí)滑套密封膠筒設(shè)置在內(nèi)筒上，通過(guò)膠筒變形、抱緊開(kāi)啟工具實(shí)現(xiàn)壓裂時(shí)的層間密封。由于工作井深＞3500m、環(huán)境溫度＞130℃，在內(nèi)筒上的密封膠筒需要經(jīng)歷固井、探掃塞等工序，面臨井下高溫長(zhǎng)時(shí)間考驗(yàn)，易出現(xiàn)損壞、碳化等問(wèn)題，密封失效風(fēng)險(xiǎn)大。因此設(shè)計(jì)了一種活動(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具，將密封膠筒設(shè)置在滑套開(kāi)啟工具上，壓裂時(shí)投入滑套開(kāi)啟工具，在軸向機(jī)械力觸發(fā)下壓縮膠筒實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(duì)密封系統(tǒng)的影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

活動(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具主要由引導(dǎo)頭、膠筒、推筒、本體、球座、銷(xiāo)釘、球、本體上的卡掛彈片等8個(gè)部分組成（如圖1所示）。球座與鑰匙本體，交叉壓在推筒內(nèi)部臺(tái)階上，并且通過(guò)銷(xiāo)釘安裝在鑰匙本體上，引導(dǎo)頭通過(guò)絲扣連接在鑰匙本體上，膠筒安裝在引導(dǎo)頭上?；顒?dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具在壓裂施工過(guò)程中通過(guò)泵送到達(dá)指定的滑套處卡掛后，繼續(xù)加壓，球與球座密封推動(dòng)球座剪切銷(xiāo)釘，球座下行帶動(dòng)推筒下行壓縮膠筒形成外部密封，這時(shí)鑰匙已卡掛好，繼續(xù)加壓就可以打開(kāi)滑套，從而進(jìn)行加砂壓裂施工。

圖1 活動(dòng)密封式滑套開(kāi)啟工具

2 關(guān)鍵功能參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 密封系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

圖2 膠筒封隔部位示意圖

（1）膠筒初封性能計(jì)算

在自由變形階段，膠筒處于單向壓縮狀態(tài)，其壓縮變形坐封力計(jì)算表達(dá)式為：

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

針對(duì)Φ101.6 mm油管匹配的滑套開(kāi)啟工具，初步設(shè)計(jì)膠筒內(nèi)徑63 mm、外徑83 mm。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)膠筒承壓差0.68 MPa，坐封力為0.3 t時(shí)，膠筒迅速鼓脹并壓貼到接觸內(nèi)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(yīng)力迅速升高，進(jìn)一步提高了膠筒的初封性能。

（2）膠筒工作性能計(jì)算

根據(jù)滑套開(kāi)啟工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)筒對(duì)底座具有卡掛性能，使得壓裂施工時(shí)工具上的壓差作用力，分別由內(nèi)筒內(nèi)壁、底座外壁提供的摩擦力克服[4]。假設(shè)膠筒不可壓縮，認(rèn)為膠筒上的軸向、徑向接觸應(yīng)力相等，那么膠筒承壓差實(shí)現(xiàn)密封所需坐封力計(jì)算表達(dá)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(huán)外半徑，mm；R0—膠筒內(nèi)半徑，mm。

對(duì)不同工況下膠筒受到的坐封力等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)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(jì)算結(jié)果表明，在不同的壓差下，膠筒的變形均處于彈性范圍內(nèi)，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(dá)5-11 t，密封能力達(dá)45 MPa，見(jiàn)表1。

表1 膠筒工作性能計(jì)算表

表2 分段螺紋牙根截面強(qiáng)度校核

2.2 連接系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖3所示，滑套開(kāi)啟工具上連接系統(tǒng)采用了分段螺紋設(shè)計(jì)，螺紋沿圓周方向不連續(xù)，至少由兩段螺紋構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)有利于組件經(jīng)開(kāi)叉θ角度處下入安裝、相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題?；讦冉嵌葘?duì)螺紋強(qiáng)度公式進(jìn)行了線性修正，選取內(nèi)、外螺紋牙根危險(xiǎn)截面，對(duì)剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]：

圖3 分段螺紋示意圖

式中：τ—剪應(yīng)力，MPa；[τ]—許用剪應(yīng)力，MPa；σb—彎曲應(yīng)力，MPa；[σb]—許用彎曲應(yīng)力，MPa；F—軸向力，N；n—分段螺紋段數(shù)；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(shù)。

綜合考慮材料、θ角度、螺紋規(guī)格等因素對(duì)二段式螺紋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，按壓差45 MPa施加25.55 t軸向力的工況進(jìn)行了強(qiáng)度校核，計(jì)算結(jié)果表明：采用35 CrMo級(jí)別材質(zhì)，螺距達(dá)3 mm，銑削θ角度達(dá)45°時(shí)，不僅有利于提高經(jīng)開(kāi)叉θ角度下入安裝的組件強(qiáng)度，而且保障了分段螺紋承載能力達(dá)45 MPa。

3 活動(dòng)密封式滑套開(kāi)啟工具試驗(yàn)

如圖4所示，選取177.8 mm套管井筒開(kāi)展活動(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具地面試驗(yàn)，建立了密封性評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)，采用101.6 mm油管送匹配滑套入井，入井管柱結(jié)構(gòu)：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(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中先投1#、2#滑套開(kāi)啟工具開(kāi)啟1#、2#滑套，再投入活動(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具開(kāi)啟3#滑套，并進(jìn)行加壓密封性能驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：活動(dòng)式可密封的滑套開(kāi)啟工具能夠順利泵送到位、匹配并開(kāi)啟滑套；密封膠筒接觸應(yīng)力分布合理，密封能力達(dá)45 MPa；分段螺紋連接性能好，方便了各組件的交叉安裝，產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作靈活可靠，其承載能力達(dá)45 MPa；滑套開(kāi)啟工具的關(guān)鍵功能參數(shù)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

圖4 井筒模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

（1）在活動(dòng)密封式滑套開(kāi)啟工具上設(shè)置密封膠筒結(jié)構(gòu)，壓裂時(shí)逐級(jí)投入，采用軸向機(jī)械力啟動(dòng)密封系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)層間封隔，密封能力達(dá)45 MPa，密封系統(tǒng)不需要隨壓裂管柱提前預(yù)置，解決了固井及高溫對(duì)密封系統(tǒng)影響的難題。

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

（3）研發(fā)的活動(dòng)密封式滑套開(kāi)啟工具通過(guò)了井筒試驗(yàn)的檢驗(yàn)，具備生產(chǎn)應(yīng)用的條件，有利于全通徑無(wú)級(jí)滑套油管柱固井代替常規(guī)套管固井的實(shí)施，應(yīng)用前景廣闊。