新型等通徑鍵槽式滑套壓裂技術

朱玉杰，趙建軍，魏 遼

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 100101)

0 引 言

隨著頁巖氣、致密砂巖油氣等非常規油氣資源的大規模開發，水平井分段壓裂技術已成為非常規油氣藏開發的有效手段之一[1-8]。國內外的非常規油氣儲層開發大都采用泵送橋塞射孔聯作分段壓裂技術或投球式滑套壓裂技術。與泵送橋塞射孔聯作分段壓裂技術相比，投球式滑套壓裂技術采用預制管柱施工、一次下入、連續投球作業的方式，具有施工方便、可靠性高、節約施工時間等優點。然而隨著投球式滑套技術在國內外各油田大規模的推廣應用，其無法實現全通徑、后續儲層改造困難的技術難題也逐漸暴露出來[9-14]。鑒于投球式滑套技術的不足，國外多家公司相繼開發了多種全通徑壓裂滑套技術，但這些技術均需起下開關滑套或打撈球座方可實現管柱內全通徑，同樣增加了施工周期和施工難度[15-20]?；诖耍岢隽艘环N新型等通徑鍵槽式滑套分段壓裂技術。該滑套通過泵送專用打開工具打開滑套，施工快捷迅速，且壓裂后無需下鉆鉆除球座即可實現管柱內的全通徑，節省了施工時間和成本。

1 工藝結構與技術原理

等通徑鍵槽式滑套技術主要由鍵槽式滑套和配套的專用打開工具組成。

1.1 等通徑鍵槽式滑套

等通徑鍵槽式滑套主要由上接頭、外殼、內套、鍵槽結構、卡簧和下接頭組成(圖1)。外殼上開有均勻分布的壓裂孔，用于與地層連通以建立壓裂通道。內套內部設有均勻分布的鍵槽結構，鍵槽結構上下均為斜面，起導向作用，通過調整鍵槽的寬度可實現滑套的分級；內套上下兩端設有滑套開關定位槽，用于后期進行開關作業。當內套下移時，滑套打開，開啟壓裂孔，進行壓裂施工?；状蜷_后，卡簧彈入外殼的卡簧槽內，實現滑套在打開狀態時的定位和鎖緊。

圖1 等通徑鍵槽式滑套

常規投球式滑套由于球座的存在，在內徑上形成級差，在井筒內由上向下逐級內徑遞減，限制了壓裂級數和后期的采油通道。鍵槽結構是該滑套技術的核心部件(圖2)，即在內套上加工出對稱的斜面和寬度為D的鍵槽，該鍵槽用于通過打開工具上的鍵(圖3)。通過調整鍵槽的寬度和鍵的寬度d形成級差，每一級滑套的內徑是一樣的，只是鍵

圖2 鍵槽結構圖3 鍵結構

槽的寬度不同，由上往下鍵槽的寬度逐漸減小，沒有造成內徑上的“損失”，形成了等通徑。

由于壓裂施工中壓裂液排量較大，且壓裂液中存在大量石英石、陶粒等顆粒，對滑套內部鍵槽結構產生巨大的沖蝕效應，進而影響鍵槽與打開工具的配合。為解決沖蝕磨損造成的影響，對鍵槽結構斜面和尖角處進行圓弧設計，同時進行滲氮強化處理，提高硬度和耐磨性，進而顯著提高滑套的耐沖蝕性能。

1.2 專用打開工具

專用打開工具主要由導向頭、膠碗和導向塊組成(圖4)。導向頭和膠碗主要用于專用打開工具的導向和扶正，并且利于打開工具的泵送到位及返排。導向塊上設有均勻分布的鍵，鍵兩端均設有倒角，利于導入滑套鍵槽內。打開工具采用雙向對稱設計，既可以實現泵送到位，還可以在壓裂后返排出井口。

圖4 專用打開工具

專用打開工具在周向上設有均勻分布的鍵，該鍵用以與滑套內部的鍵槽配合。施工時通過泵送將打開工具輸送到與其配套的滑套處，然后管柱內加壓，打開工具推動滑套內套下移，從而開啟滑套。其詳細的工藝原理是：當打開工具上的鍵的寬度小于滑套上的鍵槽的寬度時，打開工具可順利通過滑套，如圖5所示，直至到達對應級滑套；當鍵的寬度大于鍵槽的寬度時，打開工具上的鍵和滑套上的鍵槽結構形成配合，如圖6所示，此時管內繼續憋壓，打開滑套。該結構可由鍵的寬度來決定滑套的開啟，擺脫了投球式滑套管柱內通徑對憋壓球直徑的約束，從理論上可以實現無限級壓裂。

圖5 鍵通過鍵槽

圖6 鍵與鍵槽配合

專用打開工具的導向塊設計為空心結構，在保證結構強度的情況下，當量密度達到1.6 g/cm3，與高分子材料相當，提高了工具的泵送下入能力。導向塊和導向頭采用輕質可溶解金屬材料，即使不能返排也可在井內溶解。打開工具上的膠碗也采用可溶解橡膠材料，如果打開工具不能順利返排出井口，膠碗也可在井內壓裂液環境下降解。

打開工具的溶解性能是該工具的一項關鍵指標，根據打開工具的使用工況，將金屬材料樣塊在90 ℃、3%的氯化鉀溶液中進行溶解性能測試，2 h后，材料表面產生大量白色氧化物，29 h后，樣塊全部解體。經測試，金屬材料樣塊的抗壓強度達到了400 MPa，且在90 ℃、3%的氯化鉀溶液中分解速率達到了30 mg/(h·cm2)。測試結果表明，該材料實現了打開工具在井內承壓和溶解的要求。同時對膠碗中的可溶橡膠材料在90 ℃、2%的KCl溶液中進行溶解測試，經過230 h后，溶解為顆粒狀，同樣滿足了膠碗在井內的溶解要求。

1.3 工藝流程

等通徑鍵槽式滑套分段壓裂管柱主要由隔離閥、壓差式滑套、封隔器、鍵槽式滑套、封隔懸掛器和打開工具投入裝置組成(圖7)。

根據油氣藏產層情況，確定滑套安放位置后，工藝管串隨套管按圖7順序下入到井下預置位置，循環洗井后，投入憋壓球，憋壓球落到隔離閥上，憋壓坐封封隔懸掛器和封隔器，將井下儲層分隔成若干段。繼續憋壓打開壓差式滑套，進行第1級壓裂作業。第1級壓裂作業完畢后，在井口投入滑套打開工具，通過泵送使其到達對應的滑套位置，憋壓打開滑套，進行該級壓裂施工。通過逐級投入不同鍵寬的滑套打開工具，完成分段壓裂作業。壓裂施工結束后，在地層流體和壓力下，所有打開工具均可返排出井口或在井內溶解。

1.4 工藝特點

(1) 泵送專用打開工具打開滑套，施工快捷迅速、可靠性高。

(2) 每級滑套內徑相同，可實現壓裂后全通徑，無需鉆除作業，利于后期作業的實施。

(3) 滑套具有開關功能，后期可關閉出水層。

(4) 打開工具可返排出井口或在井內溶解，作業安全性高。

1.5 技術參數

適用Φ114.3 mm以上套管；耐溫為150 ℃，耐壓為70 MPa，打開壓力為20 MPa，額定負荷為1 200 kN；滑套外徑為142.0 mm，長度為1 200 mm。

2 性能測試

為檢驗等通徑鍵槽式滑套的各項功能和性能，在樣機試制完成后，進行了地面性能實驗，包括等通徑鍵槽式滑套整機承壓密封實驗、專用打開工具通過性實驗、滑套打開實驗以及專用打開工具的溶解性能實驗等。表1為其中2次實驗的實驗數據。實驗結果表明，研制的等通徑鍵槽式滑套的的整體密封能力達到70 MPa，打開工具可順利通過滑套，并打開對應級滑套，打開工具可實現溶解功能。

圖7 等通徑鍵槽式滑套分段壓裂管柱

實驗參數整機密封壓力/MPa打開工具通過壓力/MPa滑套打開壓力/MPa設計值70<2.020.0實驗1701.220.2實驗2701.120.4

等通徑鍵槽式滑套完成地面性能實驗后，在中海油能源發展公司JJSY-2H井完成了模擬入井試驗。JJSY-2H井為一口水平井，井深為2 200 m，水平段長度為400 m，Φ114.3 mm套管連接5級滑套，下至水平井段，依次投入5 級專用打開工具打開各級滑套，均在設定壓力下順利打開滑套(表2)。工具的各項指標達到設計指標，滿足現場應用要求。

表2 模擬入井試驗數據

3 應用前景分析

水平井分段壓裂技術是實現非常規油氣藏高效開發的有力手段。常用的分段壓裂技術有泵送橋塞與射孔聯作技術、連續油管底封拖動技術和投球式多級滑套壓裂技術。表3為等通徑鍵槽式滑套技術與上述分段壓裂技術的對比。通過對比可看出，等通徑鍵槽式滑套技術可適用于裸眼或固井等

表3 等通徑鍵槽式滑套技術與其他分段壓裂技術對比

完井方式，壓裂后無需進行鉆除作業，節省施工時間，降低綜合成本，且施工效率較高，滿足體積改造的施工要求。

在非常規油氣領域，采用等通徑鍵槽式滑套技術，可解決現有頁巖氣藏壓裂工藝作業工序多、施工周期長、作業費用高等問題，具有工序少、分段級數不受限、管柱全通徑、孔眼更清潔、改造后直接投產等特點。因此，該技術可作為新型的分段壓裂技術在非常規儲層壓裂中試驗并推廣應用，具有廣闊的應用前景。

4 結論與建議

(1) 等通徑鍵槽式滑套通過泵送專用的打開工具打開，壓裂結束后可實現管柱內全通徑，無需進行鉆除作業，具有結構簡單、快速壓裂、施工周期短等優點。

(2) 地面實驗和模擬入井試驗結果表明，打開工具的溶解、通過和打開功能均能順利實現，各技術指標均達到設計要求，可以滿足現場分段壓裂施工的要求。

(3) 等通徑鍵槽式滑套技術可降低綜合施工成本，具有較好的適用性和應用前景。建議擴大應用規模，進一步驗證和提高工具的可靠性，早日實現工業化應用，為國內非常規油氣藏的降本增效提供技術支持。