套管水平井全通徑分段壓裂工具新進展

魏遼，秦金立，朱玉杰，薛占峰

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

套管水平井全通徑分段壓裂工具新進展

魏遼，秦金立，朱玉杰，薛占峰

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

為了滿足頁巖氣、低滲透油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣儲層的高效和低成本開發(fā)需求，國內外諸多機構都開展了水平井全通徑無限級分段壓裂技術攻關研究，已經形成完善的工具系統(tǒng)及配套現場施工工藝。文中介紹了國內外目前針對水平井開發(fā)非常規(guī)儲層的新興全通徑分段壓裂技術原理、關鍵工具組成與結構特點以及現場應用效果，并結合國內非常規(guī)油氣藏開發(fā)需求，剖析了下一步重點關鍵技術攻關研究方向，主要從創(chuàng)新工具結構設計、研制新型工程材料、完善工具性能測試等方面著手，突破技術研發(fā)和應用瓶頸，以盡快實現國內套管井全通徑分段壓裂工具自主化，為油氣田高效開發(fā)提供技術支撐。

套管完井；全通徑；無限級壓裂；分段壓裂

近年來，國內各大油氣公司均加快了針對頁巖氣、低滲透油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣儲層的開發(fā)速度，中國石化涪陵頁巖氣田、中國石油四川長寧-威遠國家級頁巖氣示范區(qū)產能于2015年底分別達到5.0×109m3和2.6×109m3。非常規(guī)儲層改造一般依托高壓、大排量、大砂量壓裂施工，以達到儲層改造體積最大、提高單井產量的目的［1-3］。因此，非常規(guī)油氣資源的高效開發(fā)迫切需要配套的壓裂工程技術作支撐。水平井采用φ139.7 mm規(guī)格油層套管，配合全通徑分段壓裂工具，開展大規(guī)模壓裂施工［4-5］，具有較大的技術優(yōu)勢和較好的應用前景。本文介紹了國內外針對水平井開發(fā)非常規(guī)儲層的新興全通徑分段壓裂技術原理、工具組成與結構特點以及現場應用效果，以供國內油田開發(fā)及科研參考。

1　I-ball無限級壓裂滑套

I-ball滑套壓裂技術是Weatherford公司的專利技術，與常規(guī)的逐級投球式滑套憋壓球不同，在該滑套內，同尺寸球可打開的每一級滑套內徑相同，同時對應的憋壓球尺寸相同、無級差，而且該技術不同于一球打開多級滑套（簇式壓裂）技術，在施工過程中可實現打開一級、壓裂一級［6-7］。

關鍵的壓裂滑套結構如圖1所示，主要由上接頭、外殼、內套、計數器、捕球座、限位環(huán)、彈簧、下接頭和憋壓球等組成。其中計數器是滑套結構的關鍵部件，其雙彈性爪移位結構設計加上同尺寸球逐級打開滑套流程，實現了壓裂后捕球座的復位，進而實現了管柱內的全通徑。通過增減滑套外殼凹槽的數量，理論上可實現同尺寸球打開無限級數滑套，且壓裂結束后可實現滑套內全通徑，無需鉆除作業(yè)，縮短了施工周期，節(jié)約了成本。

圖1　Weatherford公司的I-ball滑套結構

壓裂施工時，每一級滑套的計數器在外殼上的位置不同，憋壓球每通過一級滑套，計數器向下移動一次，直至憋壓球到達對應的打開滑套位置。

當憋壓球到達滑套時，坐入計數器收縮的上彈性爪位置（見圖2a），并推動計數器下行，同時下彈性爪收縮，上彈性爪張開，憋壓球通過并坐入下彈性爪（見圖2b）。

圖2　I-ball滑套工作原理示意

繼續(xù)推動計數器下行，同時上彈性爪收縮，下彈性爪張開，憋壓球通過滑套。當憋壓球到達最后一級滑套位置時，憋壓球再次推動計數器下行并與內套貼合，當憋壓至20 MPa時剪斷剪釘，內套與計數器同時下行打開滑套。

在滑套打開過程中，內套推動捕球座下行，捕球座下端彈性爪收縮形成球座。當滑套完全打開后，計數器的上下彈性爪均張開至凹槽內，同時憋壓球下行至捕球座形成的球座內（見圖2c）。

壓裂結束后，進行返排作業(yè)，在彈簧的作用下，捕球座上行復位，捕球座彈性爪張開（見圖2d）。最后，球體返排出井口，從而實現管柱內全通徑。

2　貓鼬式無限級壓裂滑套

貓鼬式無限級滑套分段壓裂技術最初由NCS EnergyServices公司于2007年推出，是一項全新的連續(xù)油管壓裂工藝技術。目前，該技術歷經演化和改進，國外多家服務公司如ThruTubingSolutions（簡稱TTS公司）、Baker Hughes公司、Packer Plus公司等均掌握了該項技術，并已經在北美各油氣田開展了大規(guī)模應用［8-10］。

該技術的管柱結構主要包括隨套管入井的平衡滑套和連續(xù)油管管柱總成，其中連續(xù)油管管柱總成包括機械式接箍定位器、底部封隔器、循環(huán)閥、噴槍、扶正器、液壓丟手短節(jié)、轉換接頭等（見圖3）。

該系統(tǒng)工作原理為：根據測井資料確定壓裂層位后，將預置滑套連同套管一起入井并實施常規(guī)固井；地面通過連續(xù)油管將該工具管柱總成下至預置滑套位置（由機械式接箍定位器和連續(xù)油管定位），通過上提、下放管柱將底部封隔器坐封；環(huán)空加壓后將滑套打開，通過地面井口裝置從油套環(huán)空進行加砂壓裂；待壓裂施工結束后，上提管柱解封封隔器，并將管柱拖至下層進行施工。

目前，NCS Energy Services公司針對φ114.3 mm 和φ139.7 mm兩種規(guī)格套管研制出配套的無限級分段壓裂工具。自問世以來，該工具已成功應用于3 500多口井，結果表明，該項技術已完全成熟，并在礦場實際應用中取得了較好的效果。

圖3　NCS Energy Services公司貓鼬式無限級壓裂管柱結構

3　等通徑鍵槽式壓裂滑套

中國石化工程院于2014年研制出具有完全自主知識產權的水平井全通徑分段壓裂工具——等通徑鍵槽式滑套，該設備主要包括鍵槽式滑套和專用膠塞?；字饕缮辖宇^、外殼、內套、鍵槽結構、卡簧和下接頭組成（見圖4）。

內套內部設有均勻分布的鍵槽結構，且鍵槽結構的上下方均為斜面，以便起到導向作用。內套上、下兩端設有滑套開關定位槽，用于下入滑套開關工具時進行開關操作。

滑套專用膠塞主要由導向頭、膠碗和導向塊組成，導向頭和膠碗主要用于專用膠塞的扶正，并且利于專用膠塞的泵送到位及返排。導向塊上設有均布的鍵，鍵兩端均設有倒角，利于導入滑套鍵槽內。

滑套專用膠塞周向上均布的鍵與對應滑套內部的鍵槽配合，實現滑套的打開操作。每一級滑套的內徑相同，但滑套的鍵槽寬度不同，相應的每級滑套配套的專用膠塞的鍵寬也不同，一個專用膠塞只能對應著打開一個分段壓裂滑套，且能穿過上一級滑套。

現場施工時，根據油氣藏產層情況，確定滑套安放位置，然后，將多個滑套與套管管柱一趟下入井內。在井口投入滑套專用膠塞，通過泵送使其到達對應的壓裂滑套位置。該專用膠塞在到達對應滑套位置以前，均能通過上一級滑套。被泵送到位后，專用膠塞的鍵與滑套上的鍵槽結構配合，實現憋壓。當壓力達到一定值時，滑套打開，內套下移，壓裂孔開啟，開始進行壓裂施工。按照同樣的方式可以完成其余地層的壓裂。壓裂施工結束后，在地層壓力下，所有滑套專用膠塞均返排出井口。

等通徑鍵槽式滑套通過泵送對應的專用膠塞憋壓打開，壓裂結束后可實現管柱內全通徑，無需進行鉆除作業(yè)，具有結構簡單、快速壓裂、施工周期短等優(yōu)點，可廣泛應用于各種油氣井的分段壓裂改造作業(yè)。

圖4　等通徑鍵槽式滑套

4　可溶球座式壓裂橋塞

Schlumberger公司于2014年底推出了儲層改造領域的一項新技術——Infinity可溶球座式橋塞壓裂技術。該項技術設備主要包括預置套管管柱上的坐封短節(jié)和ELEMENTAL可溶解分體式球座2部分。分體式球座由4瓣組成，通過特殊的支撐架將4瓣球座連接、支撐，并與送入坐封工具相連。入井時，分瓣式球座外徑遠小于坐封短節(jié)最小內徑。

與常規(guī)泵送橋塞相比，該項技術具有較大優(yōu)勢。主要體現在：1）結構小巧，下入性能好，避免下入過程中的遇阻風險；2）通體可溶解，壓裂后無需鉆塞即可實現管柱全通徑；3）全金屬密封材料，耐溫級別達到170

℃以上。具體參數指標見表1。

表1　可溶球座式橋塞參數

現場施工時，坐封短節(jié)隨套管下入井內并實施常規(guī)固井，分體式球座通過連接坐封及射孔一體化工具下入井內，當管串達到坐封短節(jié)處時，分體式球座組合成一體并與坐封短節(jié)配合，最后自地面投入可溶解憋壓球坐入球座而形成封隔，并實施該層段壓裂（見圖5）。壓裂結束后，管柱內的球座、憋壓球均可自行溶解形成全通徑。

圖5　可溶球座式橋塞壓裂工具示意

5　關鍵技術攻關方向

目前，水平井全通徑無限級分段壓裂技術屬于新興技術，核心技術全部掌握在國外公司手中。建議國內相關研究單位，通過分析各項技術在目的區(qū)塊中的適應性，有針對性地進行研究攻關，盡快研制出具有自主知識產權的國產全通徑無限級壓裂工具。關鍵攻關方向如下：

1）I-ball無限級滑套配套計數短節(jié)疲勞壽命及可靠性決定該技術整體應用的安全性。如果中途某一計數短節(jié)出現計數錯誤或者無法正常移位，勢必影響投球及滑套打開等相關作業(yè)；因此，需要優(yōu)選具有較好的彈性恢復性、疲勞壽命以及移位載荷穩(wěn)定性的材料加工計數短節(jié)，而且還需要進行工具表面鍍膜、優(yōu)化計數短節(jié)、外殼及內套流道，避免井內鉆井液、水泥漿、壓裂液沉砂以及液固兩相流體沖蝕作用等對計數移動造成影響［11-12］。

2）貓鼬式無限級滑套配套的連續(xù)油管管柱總成是該技術應用成功的關鍵。為了使管柱入井后能成功打開滑套，應重點研究可重復坐封解封封隔器定位機構、錨定機構、換向機構及封壓機構。針對目前頁巖氣水平井動輒20～30段的壓裂需求，須通過提高接箍定位器彈性復位裝置載荷穩(wěn)定性、封隔器錨定卡瓦高承載和重復坐掛性能，以及優(yōu)化封隔器結構、研制高性能膠筒材料，確保封壓70 MPa以上，耐溫達到150℃，并可以重復使用10次以上。

3）等通徑鍵槽式滑套的關鍵技術在于配套膠塞結構設計及性能評價。根據壓裂需求，膠塞泵送時排量應在1 m3/min左右，并且承受后期壓裂施工時施加于膠塞承壓機構上約50 MPa的壓差，膠塞需具備較好的泵送和返排性能；因此，需要重點研究膠碗結構形態(tài)、橡膠材料，尤其是對泵送和返排速度、套管及滑套內通過性能以及膠塞與配套滑套承壓性能等。

4）可溶球座式橋塞應重點進行可溶金屬材料研發(fā)，開展金屬溶解速率可控性研究。材料本身應具備較高的屈服強度和抗拉強度，承受壓裂施工時50 MPa以上的壓差，并在復雜的井內液體環(huán)境中實現快速溶解。其中，材料配方及制備工藝應可作為材料研制的關鍵攻關方向。

6　結束語

近年來，針對頁巖氣、低滲透油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣儲層，國內外開展了水平井全通徑分段壓裂工具的研究與試驗，對于油氣田增產增效和高效建產具有明顯的技術優(yōu)勢。結合該技術在國外應用情況，需要進一步開展全通徑無限級分段壓裂技術的先導試驗。這一方面有助于進一步降低非常規(guī)油氣儲層開發(fā)成本，另一方面更有利于提高單井產能，降低建產后期維護費用和風險，盡快形成具有自主知識產權的創(chuàng)新技術。

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（編輯高學民）

New development of full-bore and unlimited multistage fracturing tools for cased hole horizontal well

WEI Liao，QIN Jinli，ZHU Yujie，XUE Zhanfeng
（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

In order to meet the high efficiency，low cost development for shale gas，low permeability oil and gas，coal-bed methane，and other unconventional resources，more and more domestic and foreign institutions are carrying out full-bore and unlimited multistage fracturing technology research for horizontal wells，which have formed a complete set of tools and supporting onsite construction technology.This paper describes the emerging domestic and international full-bore principle of staged fracturing technology，the key tool composition and structural characteristics，and field application for horizontal well in unconventional reservoirs.Considering the domestic unconventional reservoir development needs，focus on the next step research of key technologies was analyzed.From innovative tool design，development of new engineering materials，and improving other aspects of performance testing tools，it is very urgent to make full-bore and unlimited multistage fracturing tools by ourselves，which will provide technical support for efficient oil field development and capacity building.

cased hole completion；full-bore；unlimited fracturing；multistage fracturing

中國石化科技部攻關項目“拖動式無限級滑套分段壓裂工具研制”（P15006）

TE357.1

A

10.6056/dkyqt201602026

2015-11-28；改回日期：2016-02-07。

魏遼，男，1984年生，工程師，2007年本科畢業(yè)于中國石油大學（華東）機械設計制造及其自動化專業(yè)，2010年獲北京化工大學機械設計及理論專業(yè)碩士學位，現主要從事鉆完井井下工具研發(fā)工作。E-mail：weiliao.sripe@sinopec.com。

引用格式：魏遼，秦金立，朱玉杰，等.套管水平井全通徑分段壓裂工具新進展［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：248-251. WEI Liao，QIN Jinli，ZHU Yujie，et al.New development of full-bore and unlimited multistage fracturing tools for cased hole horizontal well ［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：248-251.