全通径无级滑套研制及应用

胡顺渠， 戚 斌， 侯治民， 刘 涛

(中石化西南油气分公司石油工程技术研究院)

中国致密油气藏资源储量巨大，致密岩油资源量为146.6×108t、致密气资源量为32.9×1012m3，其中致密油可采资源量为13×108～14×108t、致密气可采资源量为8.8×1012～12.1×1012，预计2020年产油2000×104t，产气(600～700)×108m3[1-2]，致密油气在能源战略部署中的地位日益凸显，但受储集空间致密、非均质性强、含油气饱和度差等诸多不利因素影响，开采难度大，需要更多的分段数来动用储量和释放产能[3-4]。近年来，水平井多级分段压裂发展为非常规油气藏有效开发的主要手段[5-9]。压裂滑套是水平井分段压裂工具的核心部件之一，是影响水平井压裂分段数量的关键所在。国内常用投球滑套能实现的级数受限，分段数有限，建成高产井难度大；流动通道不足，裂缝未波及区域多，常规工艺压裂井仍具有较大剩余储量和压力，存在资源浪费。国外泵送桥塞、连油拖动压裂等技术可满足级数要求，但存在压裂施工不连续、作业时间长、需动管柱作业等局限，需要一种作业更便捷、功能更强大的水平井分段压裂工具[10-14]。笔者研发了一种全新的全通径无级滑套工具系统，包括全通径无级滑套及匹配的滑套关闭工具、重复开启工具，可同时实现不限级、全通径、可开关、不动管柱作业等功能，不仅填补国内在该领域的空白，并较国外同类技术具有明显技术优势，已实现了规模应用，可助力低渗致密油气藏高效开发。

一、全通径无级滑套结构原理及特点

1．全通径无级滑套结构原理

突破了常规滑套通过球与球座直径逐级缩小、单参数分级的设计局限，提出了“多维度描述、立体式变换、机械式啮合、唯一性匹配”的滑套设计新理念，基于“一把钥匙开一把锁”原理，显著增加了有限空间内设计出匹配组件互不相同的滑套数量，研发出一种新型全通径无级滑套。如图1所示，该工具主要由滑套本体、开启工具、密封球等组成。其中滑套本体带编码记录单元、弹力限位件、选位槽等结构，开启工具具凸台、复合弹片-多功能球笼结构特征，密封球可采用可溶球。

图1 全通径无级滑套结构示意图

全通径无级滑套压裂管柱结构为：油管+全通径无级滑套n+封隔器n+……+全通径无级滑套2+封隔器2+全通径无级滑套1+封隔器1+坐封球座。射孔作业完成后，将带全通径无级滑套的压裂管柱入井到位，投球憋压，一次性坐封封隔器；憋压打掉底部坐封滑套，进行第一段目标层段压裂施工；第一段压裂施工结束后从井口投放并泵送第二段全通径无级滑套配对开启工具，到位自动配对，憋压开启滑套，进行第二段目标层段压裂施工，如此重复，完成剩余目标层段压裂施工；压裂完成后，进行排液投产，若需实现管柱全通径功能，则下入打捞工具捞出开启工具；根据生产管理需要，下入关闭工具选择关闭滑套或下入开启工具选择开启滑套。

2.技术优势

(1)分段级数不受限，可实现需要的分段级数，油气改造更充分，从原理上推动了分段有限的压裂模式变革为不限级压裂模式，有助于提升单井产能及稳产能力。

(2)可实现整个油管柱井眼全通径，避免井下节流，流体流动更畅通，更利于油气生产，同时全通径无阻碍井眼使水平井生产测井、修井等后期油气井管理与再改造变得高效、便捷。

(3)单段可开关，若生产中产层出水，可下入开关工具，实施定点关闭及恢复生产作业，还可用于探井便捷测试评价，大幅缩短作业周期。

(4)多功能集成、成本低、效率高，施工工艺高效便捷，只需一趟管柱下入，工序简单，作业过程、时间、工作量与常规投球工艺相同，但能同时实现压裂采输管柱一体化，不动管柱，作业环节少、成本低、周期短，效率高，直接投产。集成“无限级、全通径、可开关、管柱一体化”四大功能，性能显著优于国外技术。

3．主要技术参数

与Ø73 mm油管配套的无级滑套外径Ø111 mm、内径Ø61 mm，总长1 200 mm；开启工具外径Ø59 mm、流体通道内径Ø42 mm，总长500 mm；开启压力18～20 MPa(可调)，整体承压70 MPa，承压差45 MPa，耐温150℃。

与Ø89 mm油管配套的无级滑套外径Ø130 mm、内径Ø75 mm，总长1 200 mm；开启工具外径Ø72 mm、流体通道内径Ø55 mm，总长500 mm；开启压力18～20 MPa(可调)，整体承压70 MPa，承压差45 MPa，耐温150℃。

二、全通径无级滑套配套工具

1.滑套关闭工具

滑套关闭工具结构见图2。

1上接头 2挡环 3外筒 4丢手销钉 5锁紧头 6关闭齿形件 7 C形棘齿环 8下接头 9启动销钉

挡环套装在锁紧头小外径一端并与外筒通过螺纹连接，外筒与锁紧头间由丢手销钉固定。在外筒下端布置有沿轴向的槽，关闭齿形件的弹性端可在槽里滑动。关闭齿形件与下接头通过启动销钉固定。C形棘齿环套装在外筒下部。当需关闭某滑套时，将关闭工具下入目标滑套位置，关闭齿形件自动定位识别并有效连接至滑套内筒，向下加载启动销钉剪断，C形棘齿环与关闭齿形件内壁的棘齿啮合，关闭齿形件沿着外筒轴向槽滑动，锁紧头下部进入关闭齿形件尾部，上提工具并加载可关闭滑套。滑套关闭后继续加载上提，锁紧头相对外筒向上运动、剪断丢手销钉，锁紧头脱离关闭齿形件尾部、从滑套内筒脱出，就可将滑套关闭工具提出井筒。

2.滑套重复开启工具

滑套重复开启工具结构见图3。

1上接头 2连接器 3 C形棘齿环 4开启齿形件 5销钉 6下接头

C形棘齿环套装在连接器上，开启齿形件套装在下接头上并通过销钉固定。连接器沿轴向设置有内外相通的槽，开启齿形件可在槽里滑动。需重复开启某滑套时，将开启工具下至目标滑套位置，开启齿形件自动定位识别并有效连接至滑套内筒。下震击或下压开启滑套，继续向下加载剪销钉，连接器带动下接头、C形棘齿环、上接头一起相对开启齿形件向下运动，上接头下端喇叭状内壁将开启齿形件尾部收拢从滑套内筒凹槽中脱出，同时开启齿形件下端内壁棘齿与C形棘齿环啮合以避免齿形件从上接头下端的喇叭状内壁脱出。

三、性能评价

1.开启可靠性试验

为验证不限级数滑套的系统可靠性，建立了全通径无级滑套地面试验系统(图4)。将全通径无级滑套成串地连接到地面试验场站中，评价不同工作液、不同作业排量及开启工具磨损等情况下滑套的开启可靠性。400余组地面试验表明，全通径无级滑套系统允许作业排量范围宽、开启工具泵送4 000 m磨损后滑套仍能顺利开启、混砂液中滑套逐一开启可靠性高，具备入井应用条件。

图4 全通径无级滑套地面试验系统示意图

2.耐冲蚀性试验

为评价滑套内筒耐冲蚀方案的可行性，设计了一套设置于井口、完全模拟压裂工况的耐冲蚀评价装置，通过流态控制段长度优化设计来降低井口注入羊角对流态的影响，将需评价的耐冲蚀件装于耐冲蚀短节中，将耐冲蚀装置装于井口，在GM33-14HF等10井开展了冲蚀试验。累计冲蚀砂量1 552 m3，耐冲蚀件仍较完整，表明设计的全通径无级滑套耐冲蚀性能满足油气井多级加砂压裂需要。

四、现场生产应用

全通径无级滑套2014年1月在四川盆地马井气田马蓬25-3HF井分段压裂成功，2016年来在川西气田有效替代了常规投球滑套、实现了规模推广应用。截至2018年4月底，全通径无级滑套分段压裂技术在川西地区共实施80口井，成功应用1188只，滑套开启成功率达100%。具备50级分段能力，现场应用最高分段数已达30级，在JS33-19HF、GM33-20HF两口井采用全通径无级滑套均成功完成30级分段压裂。与常规工艺相比，采用全通径无级滑套具有以下效果：

1.利于气井建产、稳产

生产应用表明，采用全通径无级滑套为水平井压裂提供了所需要数量且施工便捷的工具支撑。以川西某致密气田为例，水平井分段压裂平均缝间距56.3m，平均分段数14.7段，平均单井加砂规模258.1m3，单井测试产量9.95×104m3/d，从整体来看，全通径无级滑套分段压裂大大提高了测试产量，较常规分段压裂技术平均单井测试产量6.21×104m3/d提高了60%以上；控制动态储量及稳产能力，采用全通径无级滑套多分段压裂的GM33-10HF、GM33-12HF分别是常规投球滑套压裂的GM33-11HF的240%、140%及170%、180%。

2.缩短压裂作业周期、降低作业成本

可一次性下入所需数量的无级滑套，配合封隔器实现分段压裂，压裂完成后直接排液投产，无需重新下入完井投产管柱，工序简单，作业过程、时间、工作量与常规投球工艺相同。较行业内主流的无级滑套工具系统，可显著缩短作业周期、降低完井作业成本。以采用全通径无级滑套30级分段压裂为例，全井作业时间低至57.7 h，费用预估为783万元，较桥塞分段压裂系统、连油带底部封隔器拖动压裂技术施工作业时间节约40%以上，作业成本降低可达50%。

3.便捷了后期生产管理

完成一次成功测井首先要满足的条件是测量仪器到达理想的深度[15]，受制于传统水平井井筒变径、通过性差等条件的制约，水平井生产测井等后期管理难以实施。采用全通径无级滑套分段改造井，作业后可将所有的开启工具移出井筒，实现生产过程中油管柱的全通径，可便捷地下入生产测井工具，了解储层流体产出情况。JS33-19HF井30级改造完成后，开展了水平井生产测井，实现了水层准确判断。同时，基于生产测井对流体产出剖面的评价，可下入配套的滑套关闭工具关闭出水层段。还可利用滑套可选择性关闭及重复开启功能，实现油气井逐层开采或合采。

五、结论及建议

(1)研发的全通径无级滑套可实现需要的作业级数，滑套开启可靠性高，能不动管柱连续压裂，可显著缩短压裂作业周期、降低作业成本，配合精细分段压裂工艺提高单井测试产量及稳产效果明显，为非常规油气藏高效开发提供了一种全新的技术手段。

(2)全通径无级滑套压裂后可实现整个油管柱全通径，突破传统水平井井筒条件限制，可实现长水平段井生产测井；不新增任何井下工具却能实现快速堵水作业，可便捷油气藏生产管理。

(3)研制的全通径无级滑套在川西气田成功规模应用，施工成功率100%，实现了工业化，可在类似油气藏大规模推广应用。