國內外頁巖氣水平井分段壓裂工具發展現狀與趨勢

付玉坤 喻成剛 尹強 楊云山 李明 帥春崗

中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院

國內外頁巖氣水平井分段壓裂工具發展現狀與趨勢

付玉坤 喻成剛 尹強 楊云山 李明 帥春崗

中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院

頁巖氣作為典型的非常規油氣藏資源，具有低孔隙度、極低基質滲透率等特征，實施水平井分段壓裂改造已成為實現頁巖氣藏高效開發的關鍵技術。國外北美地區頁巖氣開發已實現商業化，并形成了一系列以實現“體積改造”為目的的頁巖氣壓裂技術及配套工具。國內頁巖氣開發工藝和自主工具研制均取得了很大的進步。通過調研橋塞/球座+分簇射孔聯作、套管固井滑套等頁巖氣水平井分段壓裂技術，介紹了復合橋塞、可溶性橋塞、OptiPort、FracPoint等不同工具的工作原理及結構組成，簡述了不同工具的國內外應用現狀，對比分析了不同工具的性能特點，指出可鉆式復合橋塞系列化研究、可溶性工具的技術攻關及無線智能滑套工具的先導性研究為今后研究的重點攻關方向。

頁巖氣開發；分段壓裂工具；橋塞；套管滑套；發展趨勢

水平井具有泄油面積大、單井產量高、穿透度大、儲量動用程度高、可以有效避開障礙物和環境惡劣地帶等優點，在石油工業的科研和實踐中成為人們關注的焦點［1］。隨著石油勘探開發的不斷深入，低滲透、低孔隙度等非常規油氣藏不斷增多，常規直井已經無法滿足開發要求，水平井逐漸成為提高油田勘探開發綜合效益的必要手段。2007年開始，水平井分段壓裂技術成為非常規油氣開發的主體技術，開始在北美大規模應用，并在國內塔里木、遼河、大慶、西南等多個油氣田得到了廣泛應用。頁巖氣作為典型的非常規油氣藏資源，具有低孔隙度、極低基質滲透率等特征，實施水平井分段壓裂改造已成為實現頁巖氣藏高效開發的關鍵技術［2-5］。目前，北美地區頁巖氣開發已實現商業化，逐漸形成了一系列以實現“體積改造”為目的的頁巖氣壓裂技術及配套工具［6-12］。國內各油氣田企業在國家政策的大力支持下，頁巖氣開發工藝和工具自主研制等方面均取得了很大進步，并在現場得到了廣泛應用［13-22］。因此，頁巖氣水平井分段壓裂工藝及工具的研究引起了國內外學者、研究單位及制造廠商的廣泛關注。

針對目前國內外頁巖氣開發技術現狀，總結國內外各大石油公司頁巖氣分段壓裂工具分類及特點，分析展望了國外最新頁巖氣分段壓裂技術及工具，以期為國內頁巖氣開發技術的發展及工具研發提供技術參考。

1 橋塞/球座+分簇射孔聯作分段壓裂工具

Staged fracturing tools of combined bridge plug/ball seat +cluster perforation

橋塞/球座+分簇射孔技術是指在井筒和地層有效溝通的前提下，運用電纜輸送方式，按照泵送設計程序，將射孔管串和橋塞/球座輸送至目的層，完成坐封和多簇射孔聯作，后期通過光套管進行分段壓裂。

1.1 可鉆復合橋塞

Drillable composite bridge plug

可鉆復合橋塞主要由上接頭、可鉆卡瓦、復合錐體、復合片、組合密封系統及下接頭等部件組成，如圖1所示。工作時通過坐封工具壓縮卡瓦、錐體沿軸向移動，促使膠筒膨脹與套管內壁接觸，當坐封力達到一定程度后完成丟手，隨后進行壓裂施工作業，后期生產時需要運用連續油管進行鉆磨橋塞作業。鉆磨過程受連續油管長度限制，且鉆磨過程需耗費一定時長，并存在一定的安全風險。

圖1 可鉆復合橋塞Fig. 1 Drillable composite bridge plug

目前，國外斯倫貝謝、哈里伯頓等大型油服公司系列產品均已實現商業化應用，產品參數見表1。國內西南油氣田、川慶鉆探等多家油田單位已完成系列產品的自主研發，并進行了現場推廣應用。

表1 部分可鉆復合橋塞產品參數對比Table 1 Parametric comparison of some drillable composite bridge plug products

1.2 大通徑橋塞

Large bore bridge plug

大通徑橋塞主要由上接頭、復合片、組合膠筒、錐體、卡瓦和下接頭等部件組成，如圖2所示。工作時通過坐封工具壓縮卡瓦、錐體沿軸向移動，促使組合膠筒膨脹與套管內壁接觸，當坐封力達到一定程度后完成丟手，壓裂時投入配套可溶性壓裂球進行現場作業。相比可鉆復合橋塞，具有免除連續油管鉆磨作業、保持井眼大通徑、迅速投產等優點，降低了現場施工風險，節約了成本。

圖2 大通徑橋塞Fig. 2 Large bore bridge plug

目前，國外貝克休斯、Tryton等大型油服公司系列化產品均已實現商業化推廣，產品參數見表2。國內西南油氣田、捷貝通等多家單位已完成系列產品的自主研發，并進行了現場推廣應用。

表2 部分大通徑塞產品參數對比Table 2 Parametric comparison of some fully dissolvable bridge plug products

1.3 可溶性橋塞

Fully dissolvable bridge plug

全可溶性橋塞主要由上下接頭、上下卡瓦、上下錐體、膠筒、中心筒及卡瓦牙等部件組成，如圖3所示。壓裂完成后，可溶性橋塞全部溶解，隨返排液一同排出井筒。該工藝橋塞溶解后保持井眼全通徑，免除連續油管鉆磨橋塞作業，節約完井時間及成本。

目前，國外貝克休斯、Magnum等公司系列產品已在北美油田開展了推廣應用，產品參數見表3。國內西南油氣田、長慶油田等多家油田單位均完成了產品自主研發，部分產品已進行現場應用。

圖3 可溶性橋塞Fig. 3 Fully dissolvable bridge plug

表3 部分可溶性橋塞產品參數對比Table 3 Parametric comparison of fully dissolvable bridge plug products made by some manufactures

1.4 壓裂球座

Fracturing ball seat

（1）可溶性球座。可溶性球座主要由連接桿、適配器、上分瓣座、下分瓣座、底座、可溶性球及定位筒組成，如圖4所示。球座定位筒作為套管的一部分預先下入井內，并通過坐封工具將可溶性球座送入球座定位筒實現坐封；改造時，投入可溶性壓裂球分隔下部產層進行射孔，最終完成儲層改造。

全通徑可溶性球座不需要鉆磨及連續油管作業，壓裂球溶解后可快速投產，球座溶解后可實現井筒全通徑，實現了無限級壓裂，基本參數見表4。

表4 Infnity全通徑可溶性球座基本參數Table 4 Basic parameters of Infnity full-bore dissolvable ball seat

圖4 Infnity全通徑可溶性球座Fig. 4 Infnity full-bore dissolvable ball seat

（2）超大通徑球座。超大通徑球座主要由球座、卡瓦及錐體組成，采用標準電纜坐封工具下入并完成坐封及射孔作業，通過井口泵入可溶性壓裂球開始壓裂施工，如圖5所示。壓裂結束后，球座、壓裂球及錐體溶解，剩余通徑大，后期無需鉆磨即可快速投入生產。

圖5 PosiFrac HALO壓裂球座Fig. 5 PosiFrac HALO fracturing ball seat

超大通徑球座獨特結構設計，不會導致提前坐封；無需鉆磨作業，節約成本，減小風險；井筒長度不受限制，可實現無限級壓裂，基本參數見表5。

2 套管固井滑套分段壓裂工具

Staged fracturing tools of casing cementing sleeve

套管固井滑套與套管相連入井，按照預先設計下至對應的目的層，最后完成固井作業。該工藝無需后期井筒處理，保持井眼全通徑，省去電纜作業、連續油管鉆磨橋塞等工序，提高了施工效率，降低了作業成本。

2.1 OptiPort固井滑套

OptiPort cementing sleeve

OptiPort固井滑套主要由上接頭、壓力激活孔、壓裂孔、內滑套、外套筒、平衡壓力孔、下接頭等組成，如圖6所示。

表5 超大通徑套管壓裂球座基本參數Table 5 Basic parameters of ultra-large-bore casing fracturing ball seat

圖6 貝克休斯OptiPort固井滑套Fig. 6 BHI OptiPort cementing sleeve

工具隨套管一起入井，按照常規方法完成固井作業；通過連續油管下放井下組合工具（管內封隔器、套管接箍定位器等），定位后封隔器停留在滑套下方，向連續油管和環空中打壓坐封管內封隔器；繼續環空打壓至剪斷銷釘，內滑套下移打開滑套，開始壓裂施工作業；解封封隔器，上提或下放連續油管，開啟下一段滑套，直至完成全井筒壓裂施工作業。

OptiPort固井滑套可適用于套管井或裸眼井，滿足大排量、高砂比的壓裂工況，但由于連續油管長度的限制，不能實現無限級壓裂。

2.2 I-ball固井滑套

I-ball cementing sleeve

I-ball固井滑套主要由計數滑套、球籠、內滑套、可收縮球座、彈簧等組件，如圖7所示。壓裂過程中，當井口投入第一個球運動到計數滑套時，推動球籠向前行進一個單元，球通過可收縮球座后依次推動后續壓裂滑套向前行進一個單元。以計數為5的壓裂滑套為例，當第五個球通過球籠后，推動內滑套和可收縮球座向前運動到收縮位置，壓裂球不能通過形成坐封，隨后進行壓裂施工作業。完成第一段壓裂后，繼續投入相應個數的球，開啟不同層位的滑套，完成整口井的壓裂作業。

I-ball壓裂滑套可用于裸眼完井或套管固井，具有井筒全通徑、無限級壓裂等特點；同時減少了連續油管鉆磨橋塞作業，節約了成本，提高了效率，降低了施工風險。

2.3 ZoneSelect Monobore固井滑套

ZoneSelect Monobore cementing sleeve

ZoneSelect Monobore固井滑套主要由外套筒、內滑套、開啟槽、關閉槽等結構組成，同時配有開關滑套用的工具，如圖8所示。開啟過程中，通過連續油管帶配套開關工具下入滑套安裝位置，通過井口泵入流體在開關工具處產生節流壓差，鎖塊外露后與滑套配合，通過上提下放連續油管控制滑套的開關。開啟作業完成后，停泵導致鎖塊收回，上提連續油管將開關工具提出井口。

圖7 威德福I-ball固井滑套Fig. 7 WFD I-ball cementing sleeve

ZoneSelect Monobore固井滑套利用連續油管打開和關閉，可實現單層壓裂；開采過程中可關閉出水層，實現高效開采；無需后期井筒處理，保證井筒全通徑作業；受連續油管長度限制，不能實現無限級壓裂。

圖8 威德福ZoneSelect Monobore固井滑套Fig. 8 Weatherford ZoneSelect Monobore cementing sleeve

2.4 FracPoint固井滑套

FracPoint cementing sleeve

FracPoint固井滑套主要由上接頭、內滑套、擴張式球座、固定式球座、下接頭等組件組成，如圖9所示。固井過程中，每一段由多個擴張式滑套和一個固定式滑套組成，通過地面泵送不同直徑大小的球入座，打壓剪斷銷釘帶動內滑套3向下運動，滑套開啟，繼續打壓促使球座4擴張，球通過后進入下一級滑套，重復操作依次打開多個滑套，直至球落入固定球座9，內滑套8向下運動，滑套開啟，隨后開始該段的壓裂施工。

FracPoint固井滑套可實現不間斷壓裂作業，中間不需要連續油管或電纜作業，消除了后期鉆磨作業帶來的施工風險，節約了時間；同時，一只壓裂球可同時開啟5只滑套，實現多級壓裂。

2.5 FSPTM固井滑套

FSPTMcementing sleeve

圖9 貝克休斯FracPoint固井滑套Fig. 9 Baker Hughes FracPoint cementing sleeve

FSPTM固井滑套主要由計數器、回位彈簧、內套筒、技術套筒、卡環、外套筒、內滑套、球座及上、下接頭組成，如圖10所示。每一段產層采用相同計數的FSPTM滑套組成，最下端帶有球座。壓裂過程中，以計數為3為例，當第一個球通過滑套時，壓縮計數器、計數套筒、內套筒向下運動，球通過后計數器、內套筒在回位彈簧的作用下回彈，計數套筒由于卡環限制向下運動一級；當投入第3個壓裂球時，計數套筒推動內滑套向下運動，形成球座與連通壓裂孔眼，開始壓裂施工作業。

FSPTM固井滑套采用同一尺寸球對單級或多簇滑套開啟，解決了常規滑套尺寸逐級縮小和級數限制；同時，滑套內通徑較大，不鉆銑情況下可直接生產，減少了作業時間，提高施工效率。

3 國內外應用現狀及性能對比

Application status at home and abroad and performance comparison and analysis

通過上述不同橋塞/球座類工具、套管固井滑套類工具在工作原理、結構組成、工藝特點等方面的對比分析，總結得出如下結論，對比情況見表6。

圖10 FSPTM固井滑套Fig. 10 FSPTMcementing sleeve

表6 工具性能對比分析Table 6 Performance comparison and analysis of the toolsPerformance comparison and analysis of the tools

（1）橋塞+分簇射孔聯作工藝為目前頁巖氣分段改造的主體技術，具有一趟管柱作業、不受分段限制、工具管柱結構簡單、井筒暢通等優點。目前，可鉆復合橋塞、大通徑橋塞工具國外已實現產品系列化和商業化，國內部分廠家完成產品的自主研發。

（2）可溶性橋塞及球座分段壓裂技術為目前國內外研究的熱點之一，具有保持井眼全通徑、免除連續油管鉆磨作業、節約完井時間及成本、降低施工作業風險等特點。目前，可溶性橋塞工具國外已完成系列產品的推廣應用，國內已開展現場先導性試驗；超大通徑壓裂球座國外已出現相關產品及現場應用報道，國內還未見相關產品的應用報道。

（3）套管固井滑套分段壓裂技術為頁巖氣分段改造的新興技術，具有保持井眼全通徑、無需電纜及連續油管鉆磨作業、成本低、效率高等特點。目前，OptiPort、FSPTM等固井滑套國外已實現推廣應用，國內未見相關產品的應用報道。

4 結論及建議

Conclusions and suggestions

（1）完善可鉆式復合橋塞工具系列，以滿足不同地層、不同工藝等條件下的技術要求。

（2）持續開展可溶性橋塞和球座等可溶性工具、全通徑固井壓裂滑套類工具的技術攻關，完成產品的系列化與現場試驗，實現規模化推廣應用。

（3）開展井下無線開關滑套等智能類工具的先導性研究，為分層壓裂、分層試油工藝做技術儲備。

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（修改稿收到日期 2017-05-12）

〔編輯 李春燕〕

Development status and trend of shale-gas horizontal well staged fracturing tools at home and abroad

FU Yukun, YU Chenggang, YIN Qiang, YANG Yunshan, LI Ming, SHUAI Chungang
Engineering Technology Research Institute, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610017, Sichuan, China;

Shale gas, as the typical unconventional oil and gas resource, is characterized by low porosity and extra low matrix permeability. So far, horizontal well staged fracturing has become the key technology for the effcient development of shale gas reservoirs.In the North America, the shale gas development is now commercialized, and a series of shale gas fracturing technologies and their support tools aimed at volumetric stimulation are developed. In China, great progress has been made in shale gas development process and independently developed tools. In this paper, shale-gas horizontal well staged fracturing technologies were investigated, e.g. combined bridge plug/ball seat +cluster perforation and casing cementing sleeve. Then, the working principles and structural components of different tools (e.g. composite bridge plug, fully dissolvable bridge plug, OptiPort and FracPoint) were introduced briefy. Finally, their application status at home and abroad was illustrated briefy and their performance characteristics were comparatively analyzed. It is indicated that the future researches shall focus on the research of drillable composite bridge plug series, the technical research of fully dissolvable tools and the pilot research of wireless smart sliding sleeve.

shale gas development; staged fracturing tool; bridge plug; casing sleeve; development trend

付玉坤，喻成剛，尹強，楊云山，李明，帥春崗.國內外頁巖氣水平井分段壓裂工具發展現狀與趨勢［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（4）：514-520.

TE37

A

1000 – 7393（ 2017 ） 04 – 0514 – 07

10.13639/j.odpt.2017.04.021

:FU Yukun, YU Chenggang, YIN Qiang, YANG Yunshan, LI Ming, SHUAI Chungang. Development status and trend of shale-gas horizontal well staged fracturing tools at home and abroad［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(4): 514-520.

國家科技重大專項“長寧-威遠頁巖氣開發示范工程”（編號：2016ZX05062）。

付玉坤（1984-），2014年畢業于西南石油大學機械設計及理論專業，獲博士學位，現主要從事鉆完井、油氣田開發等井下工具的研究設計工作，工程師。通訊地址：（610017）四川省成都市青羊區小關廟后街25號。E-mail：fyshand@126.com