投球式全通徑壓裂滑套研制

楊海波， 趙傳偉， 李 毅

(1中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 2中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會“非常規(guī)油氣鉆完井技術(shù)重點實驗室” 3 中國石油集團渤海鉆探工程技術(shù)研究院)

國內(nèi)外油氣開發(fā)均面臨著低滲透、超低滲透儲層自然產(chǎn)能低，開發(fā)建產(chǎn)率低等難題[1-4]。水平井多級分段壓裂技術(shù)能夠有效提高低滲透油氣藏的采收率和儲量動用率，是低滲透油氣藏開發(fā)的重要手段之一[5-6]。目前，常用的水平井多級分段壓裂技術(shù)有：投球滑套+裸眼封隔器壓裂技術(shù)、泵送橋塞壓裂技術(shù)、連續(xù)油管水力噴射壓裂技術(shù)[7-10]。其中，前兩者在壓裂施工后，管柱內(nèi)通徑較小。為了盡可能發(fā)揮油氣井產(chǎn)能，利于生產(chǎn)測井及后期井下作業(yè)工具的下入，需要將殘留的球座或橋塞磨銑掉。這便增加了作業(yè)周期和成本，而且磨銑過程存在卡鉆風險。后者雖然可實現(xiàn)管柱內(nèi)較大通徑，但是需要連續(xù)油管作業(yè)裝備，成本較高。為此，國外研發(fā)出了全通徑滑套壓裂技術(shù)。該技術(shù)可在不下內(nèi)管、不進行磨銑作業(yè)情況下，實現(xiàn)管柱內(nèi)較大通徑[11-12]。國外公司對實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵工具—全通徑壓裂滑套，進行技術(shù)保密。國內(nèi)該技術(shù)尚處于工具研發(fā)及室內(nèi)測試階段。筆者研制了投球式全通徑壓裂滑套。該滑套具有壓裂級數(shù)不受限制，無需下內(nèi)管、無需鉆除作業(yè)即可實現(xiàn)全通徑，利于后期生產(chǎn)管理等優(yōu)點，為低滲透及非常規(guī)油氣資源的開采提供了一種經(jīng)濟有效的技術(shù)手段。

一、結(jié)構(gòu)組成與工藝原理

1.結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，投球式全通徑壓裂滑套主要包括上接頭、內(nèi)滑套、外殼、彈簧、開關(guān)、可復(fù)位球座、套筒及下接頭。其中，上接頭和外殼內(nèi)壁有凹槽(1～3)；內(nèi)滑套由上彈性爪和下彈性爪組成，兩者均可沿內(nèi)滑套的徑向收縮。初始狀態(tài)下，上彈性爪處于收縮狀態(tài)，下彈性爪處于自由狀態(tài)。壓裂滑套最大外徑145 mm，壓裂前最小內(nèi)徑76 mm，壓裂后最小內(nèi)徑89 mm，內(nèi)滑套啟動壓力6～8 MPa，滑套打開壓力12～15 MPa，耐壓70 MPa，耐溫≥120℃，壓裂球尺寸84 mm。該滑套可與尾管懸掛器、裸眼封隔器、壓差打開滑套、井筒隔離閥以及引鞋等工具配合，用于水平井裸眼分段壓裂。

2.工作原理

以第1級投球式全通徑壓裂滑套(圖1)為例來說明該滑套的工作原理：在井口向管柱內(nèi)投入一個壓裂球，球到達上彈性爪時被攔截住，壓裂球以上管柱內(nèi)起壓；壓力達到一定值時，壓裂球帶動內(nèi)滑套向右運動，進而推動開關(guān)一起向右運動；下彈性爪跳出凹槽2并沿徑向收縮，上彈性爪彈入凹槽3中，壓裂球釋放并落到下彈性爪上；管柱內(nèi)壓力再次升高，壓裂球繼續(xù)推動內(nèi)滑套和開關(guān)向右移動，進而推動可復(fù)位球座一起向右運動；并使得可復(fù)位球座右端沿徑向收縮為一個完整球座，同時彈簧也被壓縮；當下彈性爪彈入凹槽1中時，壓裂球釋放，會落到可復(fù)位球座上；此時，上彈性爪進入凹槽2中，開關(guān)上的通孔與外殼上的通孔對齊，滑套打開；繼續(xù)打壓，可復(fù)位球座推動套筒一起向右運動；當套筒與下接頭接觸時，可復(fù)位球座不再移動，彈簧進一步被壓縮，壓裂球坐封，繼續(xù)打壓，可壓裂對應(yīng)的地層。據(jù)此，當n級壓裂滑套串聯(lián)使用時，為每級滑套設(shè)計不同數(shù)量的凹槽，即可實現(xiàn)：投第n個球時，第n級滑套打開。壓裂施工完成后，井口逐漸泄壓，各級滑套中的可復(fù)位球座在彈簧回復(fù)力的作用下逐漸復(fù)位，n個壓裂球釋放，可落到井底或返排到井口，管柱內(nèi)實現(xiàn)全通徑。

圖1 投球式全通徑壓裂滑套結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 內(nèi)滑套結(jié)構(gòu)圖

二、關(guān)鍵部件設(shè)計研究

1.內(nèi)滑套設(shè)計及受力分析

1.1 內(nèi)滑套設(shè)計

如圖2所示，內(nèi)滑套主要由上彈性爪和下彈性爪構(gòu)成。其中，上、下彈性爪均可沿徑向收縮。當壓裂球坐于收縮后的彈性爪構(gòu)成的球座上時，球與球座之間存在一定的泄漏。因此，壓裂球兩側(cè)產(chǎn)生的壓差使得內(nèi)滑套運動。迫使內(nèi)滑套運動所需要的壓差稱為內(nèi)滑套的啟動壓力。內(nèi)滑套啟動壓力應(yīng)大于5.4 MPa，且內(nèi)滑套運動過程中所受的最大應(yīng)力要小于其材料的許用應(yīng)力，可滿足現(xiàn)場施工要求。由于工作過程中，上彈性爪和下彈性爪需要反復(fù)的沿徑向收縮、釋放，考慮到井下的惡劣工況，其材料選用高強度、耐沖擊、耐高溫的彈簧鋼60si2CrVA。

1.2 內(nèi)滑套動力學(xué)分析

采用顯式動力學(xué)分析軟件Ls-dyna[13-14]分析內(nèi)滑套運動過程中的受力變化。外殼及壓裂球所用材料均為42CrMo。材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。動、靜摩擦系數(shù)分別取0.2、0.3。分步施加載荷：首先在內(nèi)滑套的左端面施加位移載荷，然后在壓裂球的左半球面加載隨時間遞增的壓力載荷。外殼的左端面施加固定約束，計算時間設(shè)置為0.17 s。圖3所示為T=0.091 s、0.112 s、0.136 85 s和0.161 s時刻，內(nèi)滑套應(yīng)力云圖。當T=0.091 s時，壓裂球開始推動內(nèi)滑套運動，最大應(yīng)力為783 MPa；T=0.112 s時下彈性爪剛好從凹槽中出來；T=0.136 85 s時，壓裂球落到下彈性爪上；T=0.161 s時，上彈性爪從凹槽中出來，下彈性爪進入凹槽中。內(nèi)滑套所受的最大應(yīng)力為1 036 MPa，發(fā)生在T=0.112 s時刻，小于材料的許用應(yīng)力1 167 MPa，內(nèi)滑套是安全的。

2.可復(fù)位球座設(shè)計及受力分析

2.1 可復(fù)位球座設(shè)計

常規(guī)投球式壓裂滑套的球座在初始狀態(tài)和工作過程中均是一個完整的球座。而可復(fù)位球座在初始狀態(tài)下是一個分體式球座，即球座被分割為12等份；工作過程中，球座沿徑向收縮為一個完整的球座，以便于壓裂球座封；施工結(jié)束后，完整的球座又在彈簧作用下回到初始狀態(tài)，成為分體式球座。為了確保施工時，球與球座之間具有良好的密封性，將可復(fù)位球座按照坐封狀態(tài)下的形狀設(shè)計，即設(shè)計為一體式球座。加工時，先通過車工、銑工得到坐封狀態(tài)下的球座，然后采用線切割技術(shù)將壓裂球坐封處(即球座右端)切割為12等份，并通過特殊的熱處理技術(shù)使筋板向外擴張，成為分體式球座。其材料選用高強度、耐沖擊、耐高溫的彈簧鋼60si2CrVA。

2.2 可復(fù)位球座動力學(xué)分析

壓裂施工過程中，可復(fù)位球座受力最大的狀態(tài)發(fā)生在壓裂球坐封后打壓壓裂地層階段。利用Ls-dyna軟件模擬壓裂球坐封過程，分析可復(fù)位球座受力變化。材料屬性以及動、靜摩擦系數(shù)取值同上。分步施加載荷：首先在可復(fù)位球座的左端面加載位移載荷，使得球座沿徑向收縮為一個完整的球座；然后在壓裂球的左半球面加載隨時間遞增的壓力載荷，最大載荷70 MPa。下接頭的左端面施加固定約束，計算時間設(shè)置為0.15 s。

圖3 不同時刻內(nèi)滑套受力變化圖

圖4所示為不同時刻可復(fù)位球座的受力情況。模擬結(jié)果表明，T=0.047 s時，可復(fù)位球座變?yōu)橐惑w式，封堵壓裂球。T=0.065 8 s時，可復(fù)位球座推動套筒運動。T=0.122 2 s時，壓裂球兩端壓差達到了70 MPa，此時最大應(yīng)力出現(xiàn)在球與球座接觸面上，為1 061 MPa。但最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力1 167 MPa，因此，可復(fù)位球座強度滿足要求。

圖4 不同時刻可復(fù)位球座受力變化圖

三、室內(nèi)實驗

根據(jù)以上設(shè)計加工了投球式全通徑壓裂滑套樣機(共有7個凹槽)，進行室內(nèi)實驗。首先進行內(nèi)滑套動作實驗，測試每次投球內(nèi)滑套是否只步進一個凹槽，滑套能否順利打開；再進行壓裂球坐封實驗，測試壓裂球能否坐封、可復(fù)位球座的復(fù)位動作是否可靠。實驗流程如圖5所示，主要裝置和儀器包括：鉆井泥漿泵、投球式全通徑壓裂滑套樣機、壓力傳感器、液罐、電磁流量傳感器、球籃以及截止閥A、B。壓力傳感器和電磁流量傳感器安裝在泵的出口端，測得的壓力及流量信號傳輸?shù)接嬎銠C終端進行處理；球籃用于攔截投放的壓裂球，實驗介質(zhì)為清水。

圖5 室內(nèi)實驗流程圖

1.內(nèi)滑套動作實驗

逐漸調(diào)高泵轉(zhuǎn)速，并注意壓力數(shù)據(jù)變化。壓裂球推動內(nèi)滑套運動過程中，壓力會先變大后減小，再變大又減小，將此過程中的最大值作為內(nèi)滑套啟動壓力值。為了驗證每次投球內(nèi)滑套是否只步進一個凹槽，標定了兩個參數(shù)：上接頭左端與內(nèi)滑套左端的初始距離l0=106.6 mm；前4個凹槽間距相同，間距e=48.1 mm。

每次投球后，測量的上接頭左端與內(nèi)滑套左端的距離分別為154.7 mm、202.8 mm、250.9 mm、299 mm。這說明每投1個球，內(nèi)滑套步進1個凹槽；前4次投球?qū)嶒炛校瑴y得內(nèi)滑套啟動壓力值分別為7.4 MPa、7.7 MPa、7.6 MPa、7.5 MPa，平均值為7.6 MPa，能夠滿足現(xiàn)場施工要求。投放第5個壓裂球后，滑套打開，打開壓力為12.6 MPa。

2.壓裂球坐封實驗

在圖5所示實驗流程基礎(chǔ)上，接入了壓差滑套(其打開壓力低于泵所能給出的最高壓力15MPa)，主要為了防止壓裂球坐封瞬間產(chǎn)生高壓損壞泵，并采用密封套將壓裂孔密封住，如圖6所示。實驗后，壓差滑套打開，拆開滑套可見彈性擋圈彈出，說明壓裂球成功坐封。

圖6 壓裂球坐封實驗圖

綜上可知，內(nèi)滑套啟動壓力為7.6 MPa，滑套打開壓力為12.6 MPa；內(nèi)滑套、開關(guān)、彈簧及可復(fù)位球座動作可靠，能完成預(yù)定動作。

四、結(jié)論

(1)投球式全通徑壓裂滑套適用于裸眼分段壓裂，其優(yōu)勢在于：無需下內(nèi)管、無需鉆除作業(yè)，只需投入多個同尺寸壓裂球，整個管柱即可實現(xiàn)全通徑，降低了大型壓裂的作業(yè)成本，利于后期生產(chǎn)管理；壓裂球和可復(fù)位球座不存在級差，可實現(xiàn)無限級壓裂。

(2)顯示動力學(xué)分析表明，內(nèi)滑套運動過程中所受的最大應(yīng)力為1 036 MPa，出現(xiàn)在上彈性爪筋板的根部，小于材料的許用應(yīng)力；當壓裂球兩端壓差為70 MPa時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在球與球座接觸面上，為1 061 MPa，小于材料的許用應(yīng)力?？蓮?fù)位球座及內(nèi)滑套強度滿足壓裂施工要求。

(3)室內(nèi)模擬實驗結(jié)果表明，內(nèi)滑套啟動壓力為7.6 MPa，滑套打開壓力為12.6 MPa；內(nèi)滑套、開關(guān)、彈簧及可復(fù)位球座動作可靠，能完成預(yù)定動作。