帶開關(guān)功能的不限級(jí)滑套研制及應(yīng)用

胡 丹，胡順渠，陳 晨，侯治民，周怡君

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

引言

天然氣作為優(yōu)質(zhì)燃料和清潔化石能源，在中國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整中發(fā)揮著重要作用[1]。中國致密砂巖氣資源豐富，地質(zhì)資源量為22.88×1012m3，技術(shù)可采資源量為11.26×1012m3，2020 年，全國致密砂巖氣產(chǎn)量474×108m3，占天然氣總產(chǎn)量的25%，是接替、支撐天然氣規(guī)模上產(chǎn)的重要力量。但致密砂巖氣藏儲(chǔ)集層致密、物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、自然產(chǎn)能低、穩(wěn)產(chǎn)難度大、經(jīng)濟(jì)效率差[2-6]，一方面，需要通過多級(jí)分段壓裂，對(duì)儲(chǔ)層細(xì)分切割，提高儲(chǔ)集層的滲透性和流體的流動(dòng)性，提升氣井單井產(chǎn)能；另一方面，該類氣井生產(chǎn)過程中通常伴隨著地層水產(chǎn)出，氣水同產(chǎn)時(shí)對(duì)氣井產(chǎn)能抑制明顯，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致過早水淹而停產(chǎn)，影響氣井長期穩(wěn)產(chǎn)及氣藏最終采收率，在多個(gè)產(chǎn)層段中準(zhǔn)確判斷出水點(diǎn)并實(shí)施有效定點(diǎn)關(guān)閉作業(yè)對(duì)于氣井穩(wěn)產(chǎn)意義重大。

基于致密砂巖氣藏地質(zhì)情況及開發(fā)需求，水平井無限級(jí)分段壓裂工藝是致密砂巖氣藏有效開發(fā)的必要手段[7-10]，同時(shí)，為提高氣井的采收率，需在采氣過程對(duì)氣井多層段實(shí)施有效的堵水控水。常用的壓裂工具為投球滑套，分段壓裂管柱內(nèi)通徑逐級(jí)變小，氣體流動(dòng)阻力大，分段能力有限[11-16]，且生產(chǎn)過程中井下工具難以下入，無法開展生產(chǎn)測(cè)井等儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及井筒維護(hù)作業(yè)；而泵送橋塞雖然能實(shí)現(xiàn)無限級(jí)分段，但施工不連續(xù)、作業(yè)周期長、成本高。上述分段壓裂裝置均功能單一，分段壓裂、完井投產(chǎn)、生產(chǎn)控水各環(huán)節(jié)均需要采取不同的工具裝置分步實(shí)施，而不同功能裝置的配合應(yīng)用，協(xié)調(diào)匹配性較差，工序流程復(fù)雜、作業(yè)周期增加，可靠性也難以得到有效保障。

為滿足致密砂巖氣藏開發(fā)對(duì)壓裂工藝及工具“分段不受限、管柱全通徑、單段可開關(guān)、作業(yè)全連續(xù)”的需求，西南油氣分公司自主研發(fā)了一種全新的帶開關(guān)功能的不限級(jí)壓裂工具系統(tǒng)。工具在壓裂施工前隨管柱一趟下入井中，提前預(yù)置；壓裂施工過程中投入開啟工具開啟匹配的滑套，可在不動(dòng)管柱條件下實(shí)現(xiàn)無限級(jí)分段壓裂且連續(xù)施工；壓裂施工后，管柱自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全通徑，為連油解堵、沖砂、鉆磨、監(jiān)測(cè)等措施維護(hù)作業(yè)提供井筒空間。工具具備重復(fù)開關(guān)功能，對(duì)于生產(chǎn)井出水層段可定點(diǎn)關(guān)閉，保障氣井平穩(wěn)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)油氣井全生命周期內(nèi)產(chǎn)氣通道的靈活控制；工具同時(shí)滿足高溫、高壓、大排量、大砂量等惡劣工況下可靠作業(yè)需要，助力致密氣藏高效開發(fā)。

1 工具設(shè)計(jì)

1.1 不限級(jí)方式設(shè)計(jì)

1.1.1 不限級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓裂滑套的不限級(jí)分段可通過機(jī)械式分級(jí)或電動(dòng)控制[17]，機(jī)械式分級(jí)方式設(shè)計(jì)相對(duì)于電子式、泵送橋塞等分級(jí)方式可不動(dòng)管柱、可靠性高，但常規(guī)投球滑套采用球與球座匹配，通過球與球座尺寸變化來實(shí)現(xiàn)，由于球體球形特征，只能通過變化球直徑這個(gè)單變量來區(qū)分各級(jí)滑套，在給定徑向空間、給定球座級(jí)差的條件下，能實(shí)現(xiàn)的級(jí)數(shù)有限。采用投同一尺寸飛鏢或球與變化型球座這種匹配方式理論上可實(shí)現(xiàn)無限級(jí)，但對(duì)工具系統(tǒng)要求高、存在工具失效不能有效作業(yè)甚至丟失產(chǎn)層的風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)現(xiàn)無限級(jí)分段、同時(shí)降低工具失效風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)降低各級(jí)滑套依次開啟的相互制約性。

基于不動(dòng)管柱施工及現(xiàn)有滑套工具分級(jí)方式優(yōu)缺點(diǎn)分析，提出了通過環(huán)形凹槽與凸齒嚙合實(shí)現(xiàn)匹配（圖1）、改變凹槽與凸齒群參數(shù)以實(shí)現(xiàn)無限級(jí)匹配的方法。該方法可在保持工具內(nèi)徑不變的前提下通過軸向位置、寬度、深度及在圓周上角度等參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)多種匹配（圖2），結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高。

圖1 滑套工具凹槽和凸齒設(shè)計(jì)模型Fig.1 Schematic diagram of design model for groove and convex tooth of sliding sleeve tool

圖2 不限級(jí)設(shè)計(jì)模型Fig.2 Non-limited design model

1.1.2 不限級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)各級(jí)滑套有效開啟，確保每級(jí)滑套的凹槽與凸齒一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)避免各級(jí)滑套凹槽與凸齒間互相混淆、干擾，考慮齒和槽的力學(xué)強(qiáng)度與穩(wěn)定性，確定關(guān)鍵編碼參數(shù)的約束條件，建立不限級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型。

通過設(shè)定最小齒長、最小齒間距，在工程允許的軸向長度范圍內(nèi)，優(yōu)化組合凹槽與凸齒各特征參數(shù)，開展不限級(jí)參數(shù)組合模擬計(jì)算。計(jì)算表明，在最小齒長10 mm、齒長及齒間距的變化量為10 mm、軸向長度為100 mm 內(nèi)，改變兩個(gè)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)36 個(gè)序列、120 組參數(shù)組合。同時(shí)，在其他參數(shù)取值相同條件下，參數(shù)組合數(shù)隨軸向長度呈指數(shù)遞增關(guān)系。因此，在給定工程長度范圍內(nèi)可設(shè)計(jì)出需要的參數(shù)組數(shù)，實(shí)現(xiàn)在受限空間內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的無限級(jí)。

1.2 可開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)油氣井壽命期內(nèi)對(duì)井筒流體的靈活控制，滑套需具備可重復(fù)開關(guān)功能?？砷_關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)有液壓操作、無線控制及機(jī)械式等方式，機(jī)械式的實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、可靠性高[18-20]。

考慮滑套工具內(nèi)通徑設(shè)計(jì)需與管柱一致，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種“滑套外筒內(nèi)壁專用環(huán)槽+彈性限位件+內(nèi)筒外壁專用約束槽”的重復(fù)開關(guān)結(jié)構(gòu)。其核心組件為彈性開關(guān)件以及其限位機(jī)構(gòu)，通過在滑套工具內(nèi)筒與外筒間設(shè)置弓形彈片、彈性球籠等機(jī)構(gòu)，在滑套外筒的內(nèi)壁設(shè)置限位件專用環(huán)槽，內(nèi)筒外壁設(shè)計(jì)凹槽，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性件的軸向和徑向的約束限位。同時(shí)，通過內(nèi)筒外壁凹槽的軸向距離設(shè)計(jì)來確保其約束的有效性。使彈性件在軸向力作用下能產(chǎn)生彈性變形，完成其出槽與進(jìn)槽動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)彈性件在滑套“開位”與“關(guān)位”之間的順利切換（如圖3、圖4 所示）。

圖3 弓形彈片在卡槽內(nèi)，滑套關(guān)閉Fig.3 The bow-shaped shrapnel is in the clip slot and the sliding sleeve is closed

圖4 弓形彈片離開卡槽，滑套開啟Fig.4 The bow-shaped shrapnel leaves the card slot and the sliding sleeve is opened

1.2.2 彈性失穩(wěn)分析

基于滑套需要重復(fù)多次開關(guān)動(dòng)作，彈性件在進(jìn)出限位槽運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)受到較大的軸向力，若產(chǎn)生塑性變形，將影響彈性件在開關(guān)位的可靠轉(zhuǎn)化。選用高強(qiáng)度、高韌性的合金鋼為彈性件材質(zhì)，建立彈性件有限元分析模型，開展彈性件的彈性失穩(wěn)分析。

圖5 為弓形彈片的彈性受力有限元模擬分析結(jié)果，從圖5 可以看出，彈片受正向載荷沿內(nèi)筒軸向移動(dòng)過程中，將產(chǎn)生較大應(yīng)力，彈片頂部局部區(qū)域可能發(fā)生塑性變形；當(dāng)彈片再次受到反向載荷，彈片沿內(nèi)筒軸向移動(dòng)重新進(jìn)入外筒卡槽時(shí)，若彈片前期發(fā)生塑性變形，重新進(jìn)入外筒卡槽后應(yīng)力會(huì)明顯降低，不能完全達(dá)到初期狀態(tài)，結(jié)果如圖6所示。

圖5 弓形彈片出槽應(yīng)力云圖（向左移動(dòng)）Fig.5 Stress nephogram of bow-shaped shrapnel entering groove（move to the left）

圖6 弓形彈片入槽應(yīng)力云圖（向右移動(dòng)）Fig.6 Stress nephogram of bow-shaped shrapnel exit groove（move to the right）

優(yōu)化弓形彈片為整體球籠式彈性機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)由2 mm 寬、24 組割縫形成8～9 mm 寬的彈片組成。開展彈力機(jī)構(gòu)的有限元應(yīng)力校核及屈曲分析，分析其在特定載荷下的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷；開展多項(xiàng)位移計(jì)算，校核其在受力運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)量是否超過設(shè)計(jì)空間及影響其他組件。

圖7 為應(yīng)力校核及屈曲分析結(jié)果，可以看出，整體球籠式限位機(jī)構(gòu)工具的屈服應(yīng)力為設(shè)計(jì)開關(guān)力的2.2 倍，在實(shí)際作用工況及預(yù)設(shè)安全系數(shù)1.5 的情況未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，失穩(wěn)值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值；圖8 為位移計(jì)算校核結(jié)果，可以看出，在受額定開關(guān)力作用下工件位移在安全范圍內(nèi)。整體球籠式限位機(jī)構(gòu)的開關(guān)可靠性高于弓形彈片機(jī)構(gòu)。

圖7 應(yīng)力校核及屈服計(jì)算Fig.7 Stress check and yield calculation

圖8 多項(xiàng)位移計(jì)算Fig.8 Multi-term displacement calculation

1.3 配套工具設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)滑套的開關(guān)功能，結(jié)合可開關(guān)滑套的設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)原理，考慮工具簡單、可靠、方便的原則，設(shè)計(jì)出了一種具有自動(dòng)定位、防卡解掛等功能的機(jī)械式自匹配滑套重復(fù)開啟工具、關(guān)閉工具。

（1）滑套關(guān)閉工具設(shè)計(jì)

滑套關(guān)閉工具由上接頭、擋環(huán)、丟手銷釘、外筒、鎖緊頭、關(guān)閉齒形件、啟動(dòng)銷釘及下接頭等組成，如圖9 所示。

圖9 滑套關(guān)閉工具實(shí)物圖Fig.9 Closure tool of sliding sleeve

關(guān)閉工具的關(guān)閉齒形件上部設(shè)置可自由收攏、彈開的彈片，彈片上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)凸齒，關(guān)閉工具的外筒下端布置有沿軸向的槽，槽的數(shù)量與關(guān)閉齒形件彈片數(shù)量匹配，關(guān)閉齒形件可在槽里滑動(dòng)。

當(dāng)需要關(guān)閉某一滑套時(shí)，通過連續(xù)油管帶滑套關(guān)閉工具下入到預(yù)定滑套位置，關(guān)閉齒形件彈開并進(jìn)入滑套內(nèi)筒凹槽，向下加載啟動(dòng)銷釘剪斷，C 形棘齒環(huán)與關(guān)閉齒形件內(nèi)壁的棘齒嚙合，關(guān)閉齒形件的彈片沿著外筒軸向槽滑動(dòng)，鎖緊頭下部進(jìn)入關(guān)閉齒形件彈片的尾部，上提工具并加載關(guān)閉滑套。待滑套關(guān)閉后繼續(xù)加大上提載荷剪斷丟手銷釘，鎖緊頭脫離關(guān)閉齒形件彈片尾部，關(guān)閉齒形件彈片收攏并從滑套內(nèi)筒脫出，關(guān)閉工具提出井筒。

（2）滑套重復(fù)開啟工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑套重復(fù)開啟工具由上接頭、開啟齒形件、連接器、銷釘及下接頭組成，如圖10 所示。

圖10 滑套重復(fù)開啟工具實(shí)物圖Fig.10 Slide-out repeat-open tool of sliding sleeve

重復(fù)開啟工具的開啟齒形件上部設(shè)置有一組可自由收攏、彈開的彈片，彈片上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)凸齒，C 形棘齒環(huán)從工具下端與連接器連接，連接器沿軸向設(shè)置內(nèi)外相通的長槽，開啟齒形件的彈片可在長槽里滑動(dòng)。在油氣井壓裂后排液或生產(chǎn)過程中，通過連續(xù)油管帶滑套開啟工具下入預(yù)定滑套位置，開啟齒形件進(jìn)入配套的滑套凹槽，下震擊或下壓將滑套開啟，然后繼續(xù)向下加載剪斷銷釘，連接器帶動(dòng)下接頭、C 形棘齒環(huán)、上接頭一起相對(duì)開啟齒形件向下運(yùn)動(dòng)，開啟齒形件尾部收攏從滑套內(nèi)筒凹槽中脫出，開啟工具提出井筒。

2 工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 工作原理

不限級(jí)滑套隨完井管柱一趟下入井筒，滑套下入的數(shù)量根據(jù)壓裂層段決定，滑套下入的位置即為壓裂層段中心，滑套的下入順序按編碼順序決定。

壓裂施工時(shí)，通過趾端滑套或者連續(xù)油管射孔建立管柱與地層通道后進(jìn)行第一層段壓裂施工；第一段壓裂施工結(jié)束后從井口投入與第二段滑套編碼匹配的開啟工具，并采用泵送方式將開啟工具泵送至目標(biāo)滑套位置，憋壓開啟滑套后進(jìn)行第二層段壓裂施工，如此重復(fù)完成所有層段壓裂施工，壓裂施工結(jié)束后，開啟工具自動(dòng)溶解，形成全通徑采氣通道。

在采氣過程中，若出現(xiàn)部分層段出水等情況需要關(guān)閉滑套，可通過連續(xù)油管連接滑套關(guān)閉工具并下入到目標(biāo)滑套位置，滑套關(guān)閉工具定位齒與開關(guān)鎖定環(huán)內(nèi)的槽卡定，通過上提連續(xù)油管帶動(dòng)滑套內(nèi)筒組件整體移動(dòng)，直到內(nèi)筒完全密封外筒上的導(dǎo)流孔為止。當(dāng)滑套需再次打開時(shí)，可通過連續(xù)油管連接滑套重復(fù)開啟工具至目標(biāo)滑套位置，滑套重復(fù)開啟工具定位齒與開關(guān)鎖定環(huán)內(nèi)的槽卡定，通過繼續(xù)下放連續(xù)油管帶動(dòng)滑套內(nèi)筒組件整體移動(dòng)，直到內(nèi)筒移動(dòng)到完全露出外筒上的導(dǎo)流孔為止。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

不限級(jí)滑套已形成73 型、89 型及101 型等多型號(hào)系列化產(chǎn)品，具體尺寸參數(shù)見表1，可滿足不同氣藏不同完井方式（裸眼井、套管井）、不同井型（直井、水平井）的完井改造需求。

表1 不限級(jí)滑套系列工具參數(shù)Tab.1 Parameters of non-limited sliding sleeve tool

3 工具評(píng)測(cè)

3.1 強(qiáng)度評(píng)測(cè)

3.1.1 高溫疲勞強(qiáng)度檢測(cè)

針對(duì)全通徑不限級(jí)壓裂工具多級(jí)壓裂過程中，工具系統(tǒng)會(huì)反復(fù)經(jīng)受加壓、泄壓，存在疲勞損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)考慮井筒溫度對(duì)強(qiáng)度的影響，開展工具高溫疲勞強(qiáng)度檢測(cè)。

將滑套放入能升溫且反復(fù)加載、卸載的超高溫模擬實(shí)驗(yàn)井筒內(nèi)，如圖11 所示，設(shè)定實(shí)驗(yàn)裝置升溫至120°C保持實(shí)驗(yàn)期間溫度不變，通過氣動(dòng)高壓泵對(duì)滑套內(nèi)腔加壓至壓裂施工時(shí)可能承受最大壓差70 MPa，穩(wěn)壓1 h（模擬每一級(jí)滑套壓裂施工時(shí)間），觀察滑套內(nèi)腔壓力變化（判斷滑套是否存在泄漏），然后泄壓；泄壓后繼續(xù)對(duì)滑套內(nèi)腔加壓至70 MPa，穩(wěn)壓1 h，觀察滑套內(nèi)腔壓力變化，然后泄壓。重復(fù)加壓、泄壓的次數(shù)不低于設(shè)計(jì)的滑套施工級(jí)數(shù)。

圖11 疲勞強(qiáng)度評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Fatigue strength testing device

工具系統(tǒng)在120°C下，反復(fù)加載70 MPa、穩(wěn)壓1 h 后卸載共計(jì)120 次，工具系統(tǒng)無泄漏情況（部分實(shí)驗(yàn)記錄見圖12），證明工具系統(tǒng)具備在溫度120°C下、反復(fù)承壓70 MPa 的能力，能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

圖12 疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)記錄曲線Fig.12 Fatigue strength test record curve

3.1.2 抗拉強(qiáng)度檢測(cè)

不限級(jí)滑套管柱在壓裂施工期間，由于管柱的臌脹效應(yīng)及封隔器活塞效應(yīng)，管柱會(huì)產(chǎn)生拉伸作用，若滑套抗拉強(qiáng)度存在薄弱點(diǎn)，可能會(huì)存在拉斷風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致管柱短路甚至施工失敗，為此開展工具系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度檢測(cè)。

將滑套兩端固定在拉力實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，通過拉力實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)滑套進(jìn)行加載，首先，將拉力加載至設(shè)計(jì)強(qiáng)度，卸載觀察滑套絲扣及本體是否損壞，然后，將拉力加載至設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.2 倍，卸載觀察滑套絲扣及本體是否損壞，最后，將拉力實(shí)驗(yàn)后的滑套進(jìn)行整體承壓70 MPa 實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證滑套抗拉強(qiáng)度是否滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的需要。

實(shí)驗(yàn)表明，工具系統(tǒng)經(jīng)拉力實(shí)驗(yàn)后整體70 MPa承壓無泄漏，研制的全通徑不限級(jí)壓裂工具抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 開關(guān)功能評(píng)測(cè)

為評(píng)價(jià)滑套反復(fù)開關(guān)對(duì)設(shè)計(jì)彈性機(jī)構(gòu)可靠性的影響，開展工具系統(tǒng)開關(guān)功能評(píng)測(cè)。

結(jié)合使用工況條件，將滑套裝配在專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，評(píng)價(jià)滑套在相對(duì)理想實(shí)驗(yàn)條件下（常溫、無雜質(zhì)等因素干擾）及惡劣工況條件下（滑動(dòng)件存在大量壓裂砂）的開啟、關(guān)閉動(dòng)作的有效性及加載力大小。模擬理想工況條件開展兩次反復(fù)開、關(guān)實(shí)驗(yàn)（如圖13所示），模擬井筒有砂條件開展兩次實(shí)驗(yàn)（如圖14所示），具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

圖13 模擬理想工況的滑套開關(guān)實(shí)驗(yàn)Fig.13 Test of sliding sleeve switch simulating under ideal working condition

圖14 模擬含砂工況下的滑套開關(guān)實(shí)驗(yàn)Fig.14 Test of sliding sleeve switch simulating under working condition with sand

表2 不限級(jí)滑套開關(guān)作業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Switch operation test data sheet of non-limited sliding sleeve tool

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含砂工況下滑套的開啟和關(guān)閉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)理想工況略有上漲，但相差不大，不影響滑套開啟和關(guān)閉作業(yè)。滑套開關(guān)彈性件設(shè)計(jì)合理，抗疲勞性強(qiáng)，在高強(qiáng)度、高頻率的開、關(guān)下，能保持穩(wěn)定的彈力及合格的機(jī)械性能。

3.3 開啟性能評(píng)測(cè)

為驗(yàn)證不限級(jí)滑套的系統(tǒng)可靠性，建立包含地面評(píng)價(jià)流程、儲(chǔ)液系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)等的不限級(jí)滑套地面試驗(yàn)場(chǎng)站，系統(tǒng)評(píng)價(jià)滑套工作可靠性。將50級(jí)不限級(jí)滑套按編碼順序依次排列連接在地面實(shí)驗(yàn)場(chǎng)站的流程管線上，調(diào)整泵送系統(tǒng)，設(shè)置不同的作業(yè)排量。按編碼順序依次泵送開啟工具，評(píng)價(jià)不限級(jí)滑套在壓裂工況條件下逐一開啟可靠性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，帶開關(guān)功能的不限級(jí)滑套在不同的作業(yè)排量（0.4～2.0 m3/min）下均依次通過不匹配滑套，順利開啟目標(biāo)滑套，如圖15 所示，滑套逐一開啟可靠性高，具備入井應(yīng)用的條件。

圖15 不限級(jí)滑套地面實(shí)驗(yàn)開啟瞬間Fig.15 Opening moment of non-limited sliding sleeve ground test

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2021 年12 月，滑套工具系統(tǒng)已在川西中淺層致密砂巖氣藏成功應(yīng)用近200 井次、2600 余套，壓裂分段數(shù)增加一倍，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層密切割，壓裂施工效率提升50%，促進(jìn)氣藏的高效開發(fā)；開關(guān)功能在DS103-2 井、WX102 井等10 余口井應(yīng)用，最多實(shí)現(xiàn)了4 開3 關(guān)，成功關(guān)閉水層。

JS33-45HF 井為川西中淺層致密砂巖氣藏的一口開發(fā)水平井，采用101 型不限級(jí)滑套工具系統(tǒng)，順利完成26 段分段壓裂施工，施工排量最高達(dá)15 m3/min，砂量達(dá)1 852.8 m3，總液量13 310.6 m3，施工時(shí)間為30.2 h。鄰井JS33-46HF井采用114.3 mm 套管+橋塞分段壓裂，壓裂施工總液量9 285.7 m3，施工時(shí)間為42 h，JS33-45HF 井與JS33-46HF 井壓裂施工參數(shù)對(duì)比詳見表3。

表3 JS33-45HF 井與JS33-46HF 井壓裂施工參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of fracturing operation parameters between Well JS33–45HF and Well JS33–46HF

JS33-45HF 井的壓裂施工效率為0.002 27 h/m3，JS33-46HF 井壓裂施工效率為0.004 50 h/m3，對(duì)比表明，不限級(jí)滑套壓裂施工效率比橋塞分段提高50%。

DS103-2 井為川西中淺層致密砂巖氣藏的一口開發(fā)井，為驗(yàn)證滑套系統(tǒng)的重復(fù)開關(guān)可靠性，在該井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)重復(fù)多次開關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。可開關(guān)滑套作為壓裂滑套設(shè)置于第2 段（：1 046～1 049 m），如圖16 所示?；字衔丛O(shè)置頂封，可通過油套連通情況判斷滑套是否開關(guān)。

圖16 DS103-2 井管柱示意圖Fig.16 Schematic diagram of string for Well DS103–2

不限級(jí)滑套在DS103-2 井順利完成4 開3 關(guān)，具體開關(guān)壓力變化見表4，驗(yàn)證了不限級(jí)滑套開關(guān)功能在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的可靠性。

表4 DS103-2 井滑套開關(guān)油、套壓力參數(shù)變化情況Tab.4 Variation of pressure parameters of sliding sleeve tubing and casing in Well DS103–2

5 結(jié)論

（1）創(chuàng)新提出了以凹槽和凸齒嚙合為匹配原理、以軸向及周向等多參數(shù)組合變化為編碼方法的無限級(jí)設(shè)計(jì)方法，確?；组_啟工具與滑套匹配的一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)受限空間內(nèi)滑套工具無限級(jí)。

（2）發(fā)明“彈力限位元件+機(jī)械識(shí)別選位槽”重復(fù)可開關(guān)系統(tǒng)及配套工具，保證了不限級(jí)壓裂工具具備可重復(fù)選擇開關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣井全生命周期內(nèi)產(chǎn)氣通道的靈活控制。

（3）經(jīng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的不限級(jí)壓裂工具開關(guān)功能可靠、開啟可靠性高，抗高溫疲勞能力強(qiáng)，整體承壓滿足70 MPa 工況需求。

（4）不限級(jí)壓裂工具系統(tǒng)已在川西中淺層致密砂巖氣藏成功規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了4 開3 關(guān)作業(yè)，成功關(guān)閉生產(chǎn)井水層，助力致密砂巖氣藏高效開發(fā)。