一種活動式可密封的滑套開啟工具設計與研制

崔警宇 趙偉 曾明勇 劉濤

中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院 四川 德陽 618000

我國頁巖氣資源量達134萬億立方米，位居世界第一[1]。由于頁巖孔徑為納米級，天然氣在孔隙中根本無法有效流動，需要借助水平井多級分段壓裂技術才能實現頁巖氣資源的有效動用。多級滑套分段壓裂技術作為水平井多級分段壓裂技術的重要支撐，具有施工程序少、作業成本低、壓裂效率高的特點，為頁巖氣資源經濟高效開發提供了一種新的選擇。

根據“一把鑰匙開一把鎖”思路設計的全通徑無級滑套系統，是頁巖氣等非常規油氣藏開發的一種全新技術手段[2]。通過“套管+全通徑無級滑套”固井、完井、壓裂可以進一步降低頁巖氣井建井費用。現用全通徑無級滑套密封膠筒設置在內筒上，通過膠筒變形、抱緊開啟工具實現壓裂時的層間密封。由于工作井深＞3500m、環境溫度＞130℃，在內筒上的密封膠筒需要經歷固井、探掃塞等工序，面臨井下高溫長時間考驗，易出現損壞、碳化等問題，密封失效風險大。因此設計了一種活動式可密封的滑套開啟工具，將密封膠筒設置在滑套開啟工具上，壓裂時投入滑套開啟工具，在軸向機械力觸發下壓縮膠筒實現開啟工具與滑套之間的密封，從源頭上避免了固井及高溫等對密封系統的影響。

1 結構設計與工作原理

活動式可密封的滑套開啟工具主要由引導頭、膠筒、推筒、本體、球座、銷釘、球、本體上的卡掛彈片等8個部分組成（如圖1所示）。球座與鑰匙本體，交叉壓在推筒內部臺階上，并且通過銷釘安裝在鑰匙本體上，引導頭通過絲扣連接在鑰匙本體上，膠筒安裝在引導頭上?；顒邮娇擅芊獾幕组_啟工具在壓裂施工過程中通過泵送到達指定的滑套處卡掛后，繼續加壓，球與球座密封推動球座剪切銷釘，球座下行帶動推筒下行壓縮膠筒形成外部密封，這時鑰匙已卡掛好，繼續加壓就可以打開滑套，從而進行加砂壓裂施工。

圖1 活動密封式滑套開啟工具

2 關鍵功能參數設計

2.1 密封系統優化設計

如圖2所示，將密封膠筒放置于滑套開啟工具上，能更好適應固井及高溫條件下可靠作業需要，然而將其放置在內筒上時可獲得更高的膠筒坐封力，當密封系統尺寸與滑套開啟工具相匹配，一定壓差下膠筒接觸應力分布大幅度降低，其性能成為決定壓裂施工成敗的關鍵，基于膠筒在井下工作的初封階段和工作階段，分別對其性能進行分析[3]。

圖2 膠筒封隔部位示意圖

（1）膠筒初封性能計算

在自由變形階段，膠筒處于單向壓縮狀態，其壓縮變形坐封力計算表達式為：

式中：E—膠筒彈性模量，MPa；μ—膠筒泊松比；R0σ—內筒內半徑，mm；R1—膠筒外半徑，mm。

針對Φ101.6 mm油管匹配的滑套開啟工具，初步設計膠筒內徑63 mm、外徑83 mm。計算結果表明，當膠筒承壓差0.68 MPa，坐封力為0.3 t時，膠筒迅速鼓脹并壓貼到接觸內筒，膠筒壓貼所需壓差僅為0.68 MPa，其高度縮短5.3 mm，此后膠筒處于約束變形階段，壓差載荷的上升主要用于使其接觸應力迅速升高，進一步提高了膠筒的初封性能。

（2）膠筒工作性能計算

根據滑套開啟工具的結構特點，內筒對底座具有卡掛性能，使得壓裂施工時工具上的壓差作用力，分別由內筒內壁、底座外壁提供的摩擦力克服[4]。假設膠筒不可壓縮，認為膠筒上的軸向、徑向接觸應力相等，那么膠筒承壓差實現密封所需坐封力計算表達式為：

式中：εz=Δh/h；h—變形前膠筒的高度，mm；Δh—變形后膠筒的高度，mm；Rn1—壓環外半徑，mm；R0—膠筒內半徑，mm。

對不同工況下膠筒受到的坐封力等參數進行了計算，其中膠筒工作階段所需總坐封力，等于膠筒承壓差、膠筒鼓脹所需坐封力之和，計算結果表明，在不同的壓差下，膠筒的變形均處于彈性范圍內，壓差提供給膠筒的坐封力均大于膠筒工作階段所需總坐封力，坐封力余量達5-11 t，密封能力達45 MPa，見表1。

表1 膠筒工作性能計算表

表2 分段螺紋牙根截面強度校核

2.2 連接系統優化設計

如圖3所示，滑套開啟工具上連接系統采用了分段螺紋設計，螺紋沿圓周方向不連續，至少由兩段螺紋構成，該結構有利于組件經開叉θ角度處下入安裝、相對運動壓縮膠筒形成密封，然而其連接性能成為影響工具可靠和成功應用的關鍵問題。基于θ角度對螺紋強度公式進行了線性修正，選取內、外螺紋牙根危險截面，對剪應力、彎曲應力進行強度校核[5]：

圖3 分段螺紋示意圖

式中：τ—剪應力，MPa；[τ]—許用剪應力，MPa；σb—彎曲應力，MPa；[σb]—許用彎曲應力，MPa；F—軸向力，N；n—分段螺紋段數；θ—單段螺紋銑削角度；d—螺紋基本小徑或基本大徑，mm；b—螺紋牙底寬度，mm；z—螺紋有效圈數。

綜合考慮材料、θ角度、螺紋規格等因素對二段式螺紋進行優化設計后，按壓差45 MPa施加25.55 t軸向力的工況進行了強度校核，計算結果表明：采用35 CrMo級別材質，螺距達3 mm，銑削θ角度達45°時，不僅有利于提高經開叉θ角度下入安裝的組件強度，而且保障了分段螺紋承載能力達45 MPa。

3 活動密封式滑套開啟工具試驗

如圖4所示，選取177.8 mm套管井筒開展活動式可密封的滑套開啟工具地面試驗，建立了密封性評價試驗系統，采用101.6 mm油管送匹配滑套入井，入井管柱結構：堵頭+篩管+1#滑套+2#滑套+3#滑套+101.6 mm油管錐管掛，其中3#滑套用于活動式可密封的滑套開啟工具試驗。試驗過程中先投1#、2#滑套開啟工具開啟1#、2#滑套，再投入活動式可密封的滑套開啟工具開啟3#滑套，并進行加壓密封性能驗證試驗。結果表明：活動式可密封的滑套開啟工具能夠順利泵送到位、匹配并開啟滑套；密封膠筒接觸應力分布合理，密封能力達45 MPa；分段螺紋連接性能好，方便了各組件的交叉安裝，產生相對運動的動作靈活可靠，其承載能力達45 MPa；滑套開啟工具的關鍵功能參數設計達到預期要求，能夠滿足現場施工需要。

圖4 井筒模擬實驗評價系統示意圖

4 結論

（1）在活動密封式滑套開啟工具上設置密封膠筒結構，壓裂時逐級投入，采用軸向機械力啟動密封系統、實現管柱內層間封隔，密封能力達45 MPa，密封系統不需要隨壓裂管柱提前預置，解決了固井及高溫對密封系統影響的難題。

（2）組件間通過分段螺紋連接，利于組件交叉安裝、連接可靠，承載能力達45 MPa，能滿足中淺層、深層頁巖氣氣井壓裂需要。

（3）研發的活動密封式滑套開啟工具通過了井筒試驗的檢驗，具備生產應用的條件，有利于全通徑無級滑套油管柱固井代替常規套管固井的實施，應用前景廣闊。