安　倫，何東升，張麗萍，荊江錄

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；

2.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

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國(guó)內(nèi)外水平井壓裂滑套技術(shù)研究進(jìn)展

安倫1，何東升1，張麗萍2，荊江錄2

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；

2.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

摘要：套管滑套壓裂技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種水平井儲(chǔ)層改造方法，該技術(shù)不需要下套管固井、射孔等操作。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外壓裂技術(shù)調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外壓裂滑套技術(shù)采用特殊工具(球、飛鏢、HBA)或者使用連續(xù)油管和井下工具打開(kāi)滑套，進(jìn)行加壓，實(shí)現(xiàn)地層壓裂，改善地層的滲透率、孔隙度，提高采收率。介紹了國(guó)外各公司現(xiàn)階段的壓裂滑套產(chǎn)品，并分析了各壓裂工具的結(jié)構(gòu)、工作原理，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段的壓裂滑套技術(shù)的不足指出了現(xiàn)階段壓裂滑套的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：分段壓裂；壓裂滑套；地層改造；多級(jí)壓裂

隨著石油天然氣的開(kāi)發(fā)、開(kāi)采，低滲透、低空隙度等非常規(guī)油氣井增多，開(kāi)發(fā)難度加大。水平井分段壓裂技術(shù)有效的實(shí)現(xiàn)了壓裂增產(chǎn)的目的，是油田增產(chǎn)增注的有效手段。這項(xiàng)技術(shù)在頁(yè)巖氣、煤層氣的開(kāi)發(fā)中占主導(dǎo)地位。隨著非常規(guī)油氣田的增多，水平井鉆井?dāng)?shù)越來(lái)越多，水平井壓裂技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1]。近幾年，我國(guó)的水平井分段壓裂技術(shù)取得了很大進(jìn)步，但與國(guó)外的技術(shù)仍然存在差距。

壓裂滑套是分段壓裂技術(shù)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外對(duì)壓裂滑套的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了對(duì)比研究[2-5]。要有效的實(shí)現(xiàn)壓裂增產(chǎn)，滑套必須具備以下特點(diǎn)：

1)滑套能在設(shè)定壓力下準(zhǔn)確打開(kāi)，需要的時(shí)候能關(guān)閉。

2)滑套在未打開(kāi)之前，壓裂液或者其他流體不外泄，密封有效。

3)在實(shí)現(xiàn)上一級(jí)或幾級(jí)壓裂時(shí)，保證與下一級(jí)之間有效封堵。

1國(guó)外壓裂滑套現(xiàn)狀

國(guó)外水平井分段壓裂技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其設(shè)備也相對(duì)完善。BackerHughes、Sclumberger、Halliburton和Weatherford公司都有自己的壓裂滑套及其配套工具。

從分段級(jí)數(shù)上分，壓裂滑套可分為無(wú)級(jí)壓裂滑套和有限級(jí)壓裂滑套。無(wú)級(jí)壓裂有Weatherford公司的I-ball工具、Schlumberger公司的TAP完井系統(tǒng)；其他壓裂方法可以實(shí)現(xiàn)不同層數(shù)的壓裂。從壓裂工具打開(kāi)方式上分，可分為投球(飛鏢)式壓裂滑套、連續(xù)油管工具打開(kāi)壓裂滑套和液壓打開(kāi)3種工具。投球滑套有Weatherford公司的ZoneselectTM系列中Multi-shift和Single-shot滑套、Halliburton的RapidFRAC滑套等；連續(xù)油管打開(kāi)壓裂滑套有Weatherford公司的ZoneSelect Monobore系統(tǒng)，液壓打開(kāi)壓裂滑套有BJ Servces公司的OptiPort系統(tǒng)。

1.1Weatherford公司的ZoneSelectTM系統(tǒng)

1.1.1Monobore工具

Weatherford公司的ZoneSelectTM Monobore壓裂工具適用于水平井，主要由壓裂滑套和井下組合工具(BHA)兩部分組成[5]，屬于機(jī)械開(kāi)啟式壓裂滑套。Monobore滑套有上接頭、下接頭、內(nèi)滑套和密封圈等組成，如圖1所示。壓裂滑套隨套管一起下放到井下需要壓裂的層位，然后坐封懸掛封隔器，坐封尾管。井下組合開(kāi)關(guān)工具由連續(xù)油管或其他工具帶入井下，開(kāi)啟或關(guān)閉滑套，實(shí)現(xiàn)各產(chǎn)層的壓裂。

1—上接頭；2—內(nèi)滑套；3—密封環(huán)；4—下接頭。

連續(xù)油管上的井下組合工具可以選擇性地打開(kāi)或關(guān)閉任何一個(gè)滑套。當(dāng)需要壓裂某一地層時(shí)，首先將井下組合工具與相應(yīng)地層的壓裂滑套通過(guò)鎖塊相配合，下放連續(xù)油管，帶動(dòng)井下組合工具和內(nèi)滑套下移，打開(kāi)滑套，連通油管和地層環(huán)空。然后，上提連續(xù)油管將井下組合工具停在工具腔內(nèi)，如圖2所示。最后加壓壓裂地層。當(dāng)壓裂完成后，將井下組合工具移動(dòng)到其他滑套處，實(shí)現(xiàn)其他地層的壓裂。直到所有的地層壓裂完成，關(guān)閉不需要的地層，取出連續(xù)油管。

1—鎖塊；2—開(kāi)關(guān)工具;3—工具腔。

Monobore滑套能在國(guó)外廣泛應(yīng)用，有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：利用連續(xù)油管打開(kāi)或關(guān)閉，可以減少井口泵入液體，實(shí)現(xiàn)所有層均可單獨(dú)壓裂；套管內(nèi)徑不變，理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差壓裂；壓裂時(shí)連續(xù)油管不用取出，大幅減少了作業(yè)時(shí)間；耐溫可達(dá)163 ℃。由于連續(xù)油管自身的限制，事實(shí)上不能做到無(wú)級(jí)差壓裂；利用連續(xù)油管定位開(kāi)關(guān)工具也是一個(gè)技術(shù)難題。

1.1.2Multi-shift工具

Multi-shift壓裂滑套可以用在水平井或者豎直井中，主要由上接頭、下接頭、球座、銷釘、內(nèi)滑套等組成，如圖3。滑套安裝在兩個(gè)封隔器之間。當(dāng)?shù)孛嫱度氲那蜃湓谇蜃虾螅訅?，推?dòng)內(nèi)滑套下移，打開(kāi)滑套，進(jìn)行壓裂。然后投入較大的壓裂球?qū)ι弦粚舆M(jìn)行壓裂，直到所有產(chǎn)層壓裂完成。壓裂完成后，對(duì)井眼進(jìn)行清洗，磨銑掉球座和留在井眼中的壓裂球。井眼處理完成后，就可以用常規(guī)的開(kāi)關(guān)工具關(guān)閉不必要的滑套。

1—上接頭；2—球座；3—銷釘；4—內(nèi)滑套；5—下接頭。

Multi-shift滑套可以與直徑為88.9、114.3、139.7 mm的套管配套使用，可壓裂層數(shù)分別為13、19、21。承受最高溫度為163 ℃。剪切壓力調(diào)節(jié)為6.9～27.6 MPa。所用的壓裂球的增量約為3 mm。

利用投球來(lái)控制滑套打開(kāi)的方式簡(jiǎn)單、方便，球座設(shè)計(jì)能保證密封。球座都是用鑄鐵制成，保證了磨銑過(guò)程快速且有效。投球滑套對(duì)泵注液體體積要求嚴(yán)格[5]，液體體積控制不好可能導(dǎo)致提前坐封或者滯后坐封。提前坐封導(dǎo)致上一個(gè)壓裂層還沒(méi)有充分壓裂，形成裂縫；坐封滯后，導(dǎo)致壓裂好的產(chǎn)層支撐劑流失，達(dá)不到預(yù)期的壓裂效果。

1.1.3Single-Shot工具

Single-shot工具的結(jié)構(gòu)與Multi-shift基本一致，有上接頭、下接頭內(nèi)滑套、球座等部分，但增加了卡環(huán)，如圖4?？ōh(huán)用于內(nèi)滑套和外壁的軸向定位?；紫滦兄量ōh(huán)與外壁的凹槽對(duì)其的位置時(shí)，卡環(huán)張開(kāi)鎖死，內(nèi)滑套固定，防止了滑套在打開(kāi)后再自行關(guān)閉。其工作原理與Multi-shift也大致相同：投球、加壓、剪斷銷釘、打開(kāi)滑套、壓裂，最后反排球，磨銑球座，再投產(chǎn)。

該滑套可以與直徑為73.03、88.9、114.3、139.7 mm套管配合使用，可壓裂的層數(shù)分別為14、23、40。

要保證壓裂層的球順利返排，壓裂球直徑從下到上一次遞增。由于井眼直徑的限制，壓裂球的直徑不能無(wú)限增大，所以壓裂層數(shù)嚴(yán)重受到限制。

1.1.4I-ball工具

I-ball是Weatherford公司2013年推出的一個(gè)壓裂滑套工具[7]，是投球壓裂滑套的一種，它結(jié)合了CT輔助壓裂和以往投球滑套的優(yōu)點(diǎn)。滑套分為7個(gè)部分：上接頭、計(jì)數(shù)滑套、球籠、內(nèi)滑套、彈簧、可收縮性球座、下接頭。

為了更好地說(shuō)明其工作原理，以計(jì)數(shù)為5的滑套為例。如圖5所示，井口投入第1個(gè)球后，球運(yùn)動(dòng)到計(jì)數(shù)滑套處推動(dòng)球籠向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)單元，球順利通過(guò)球籠和下面的收縮球座。直到第5個(gè)球通過(guò)球籠時(shí)，球籠向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)內(nèi)滑套向下運(yùn)動(dòng)，內(nèi)滑套推動(dòng)伸縮球座向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)壓縮彈簧。伸縮球座運(yùn)動(dòng)到收縮位置后，壓裂球不能通過(guò)球座，形成坐封。坐封形成后，井口加壓，壓裂該產(chǎn)層。其他產(chǎn)層在相應(yīng)的球投入后可依次壓裂。全部產(chǎn)層壓裂完成之后，地層壓力推動(dòng)球流向井口。

1—上接頭；2—計(jì)數(shù)滑套；3—球籠；4—內(nèi)滑套；

I-ball滑套在傳統(tǒng)投球壓裂基礎(chǔ)上做了很大改進(jìn)。傳統(tǒng)投球滑套沒(méi)有計(jì)數(shù)滑套，球的坐封由投入球的尺寸來(lái)控制，每一個(gè)球?qū)?yīng)一個(gè)壓裂滑套。而新型滑套的計(jì)數(shù)滑套與收縮球座共同完成了壓裂層的識(shí)別，不需要改變球的直徑。用同樣尺寸的球進(jìn)行壓裂，取消了球直徑對(duì)壓裂層數(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差壓裂?？墒湛s球座在壓裂后可以還原，省去了磨銑球座的工藝，減少成本，提高效率。如果某一處出現(xiàn)砂堵或其他故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)壓裂工藝中斷。

1.2BackerHughes公司OptiPort工具

該技術(shù)是BJ公司的專利技術(shù)，2009年Backerhughes收購(gòu)了BJ。這項(xiàng)技術(shù)獲得2011年E&P增產(chǎn)技術(shù)獎(jiǎng)。OptiPort滑套是液壓開(kāi)關(guān)滑套。主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—主體；2—油孔；3—上腔；4—內(nèi)滑套；

滑套工作時(shí)，需要井下組合工具配合。井下組合工具由連續(xù)油管下放，主要包括管內(nèi)封隔器、套管接箍定位器等。壓裂時(shí)，首先通過(guò)連續(xù)油管下放井下組合工具，由接箍定位器定位。定位后，管內(nèi)封隔器停在壓裂滑套內(nèi)，且位于內(nèi)滑套下方，然后向連續(xù)油管內(nèi)打壓坐封管內(nèi)封隔器。 坐封完成后，在連續(xù)油管和套管環(huán)空中打壓，壓力通過(guò)油孔傳到上腔，作用在內(nèi)滑套上端。壓力達(dá)到預(yù)定值，銷釘剪斷，內(nèi)滑套下移，壓裂滑套打開(kāi)。最后加壓進(jìn)行壓裂。壓裂完成后，對(duì)封隔器進(jìn)行解封。上提或下移連續(xù)油管，對(duì)下一產(chǎn)層進(jìn)行壓裂。直到所有產(chǎn)層壓裂完成后，取出連續(xù)油管，全井投產(chǎn)。

OptiPort滑套有自身的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)縮徑，可以無(wú)限制的分層壓裂，壓裂完成后不需要磨銑橋塞或球座。適用于直徑為114.3mm和137.2mm的套管。

1.3Sclumberger公司的TAP系統(tǒng)

Sclumberger公司的TAP工具采用了液壓技術(shù)和投入飛鏢坐封壓裂技術(shù)[9-10]。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，包含上接頭、流道、內(nèi)滑套、銷釘、液壓腔、壓差滑套和C形環(huán)。

1、8—流道；2—上接頭；3—內(nèi)滑套；4—銷釘；

最初壓裂時(shí)，采用起始?jí)毫验y，其結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)大致相同。不同點(diǎn)在于球座固定在內(nèi)滑套上，投入飛鏢加壓，便可開(kāi)啟滑套，進(jìn)行壓裂。在壓裂時(shí)，液體壓力會(huì)通過(guò)流道8傳到上一級(jí)TAP壓裂滑套的液壓腔。液壓腔的壓力增大，推動(dòng)壓差滑套向下移動(dòng)。壓差滑套擠壓C形環(huán)，致使C形環(huán)收縮，內(nèi)徑縮小，形成球座。在上一級(jí)壓裂完成后，投入下一個(gè)飛鏢，坐落在剛形成的球座上，完成坐封，開(kāi)始下一級(jí)壓裂。重復(fù)此過(guò)程，直到所有的產(chǎn)層壓裂完成，開(kāi)始投產(chǎn)。如果需要關(guān)閉不必要的產(chǎn)層，則需下入連續(xù)油管和井下組合工具。組合工具與內(nèi)滑套相配合，上提或下放連續(xù)油管，可實(shí)現(xiàn)滑套的開(kāi)閉。

利用TAP滑套壓裂，壓裂層數(shù)不受限制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差壓裂。同時(shí)，壓裂完成后，用連續(xù)油管可以開(kāi)閉任意產(chǎn)層。TAP壓裂是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，壓裂將被迫停止。

1.4Halliburton公司的Rapid Frac系統(tǒng)

Rapid Frac系統(tǒng)是Halliburtond 2011年引進(jìn)的技術(shù)，其主要有以下部分組成：Rapid Frac滑套、Rapida Stage滑套、Rapid Start滑套和裸眼封隔器。如圖8所示。

1、6—銷釘；2—下滑套；4、7—內(nèi)滑套；3、8—球座；

Rapid Frac滑套和Rapid Stage滑套配合使用，5個(gè)Rapid Frac滑套和1個(gè)Rapid Stage滑套組合，同一尺寸壓裂球可一次性壓裂6層。完井管串坐封完成，泵入高壓液體進(jìn)行壓裂。Rapid Start在高壓下，打開(kāi)滑套實(shí)現(xiàn)最下層的壓裂。然后投入最小尺寸的球，球坐落在Rapid Stage上之前，先通過(guò)5個(gè)Rapid Frac滑套，推動(dòng)滑套上的球座和下滑套下行。在擴(kuò)徑處球座張開(kāi)，球繼續(xù)下行，球座和下滑套鎖緊。最后球坐落在Rapid Stage滑套的球座上，實(shí)現(xiàn)坐封。坐封完成，開(kāi)始加壓，Rapid Frac滑套在壓差下打開(kāi)，泵入壓裂液開(kāi)始?jí)毫选?個(gè)RapidFrac滑套和Rapid Stage滑套處同時(shí)壓裂，實(shí)現(xiàn)一次性壓裂6層的高效作業(yè)。

Rapid Frac系統(tǒng)最多可壓裂15段，每段6個(gè)滑套。封隔器耐壓70 MPa，最高適應(yīng)溫度177 ℃。

2國(guó)內(nèi)壓裂滑套現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)各油田和油田服務(wù)公司也積極投入壓裂滑套的研究。中石油渤海鉆探技術(shù)研究院對(duì)水平井壓裂滑套進(jìn)行了一系列研制和分析[11-13]。中石化德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司對(duì)壓裂滑套也進(jìn)行了探討[2，14]。

國(guó)內(nèi)的壓裂滑套主要采用投球壓裂滑套，即一個(gè)壓裂球壓裂一個(gè)地層的壓裂方式。目前國(guó)內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件也進(jìn)行分析[15]，其結(jié)構(gòu)能夠滿足功能要求。但這種壓裂方式和Weatherford公司Multi-shift 工具具有同樣的缺陷。在國(guó)內(nèi)，壓裂球的直徑遞增量最小做到3.175 mm，而國(guó)外壓裂球的增量最小能做到1.588 mm，這就導(dǎo)致國(guó)內(nèi)投球壓裂滑套壓裂層數(shù)受到更為嚴(yán)重的限制。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)壓裂滑套在提高壓裂層數(shù)和壓裂效率上仍面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)。從Halliborton的Rapid Frac到Slumberger的TAP再到Weatherford的I-ball壓裂工具，可以看出水平井壓裂正朝著多層數(shù)、智能化方向發(fā)展。在這方面，我國(guó)的水平井壓裂技術(shù)還存在很大差距。

3結(jié)語(yǔ)

目前，油田用壓裂滑套主要有2類：投球壓裂滑套和連續(xù)油管+井下工具壓裂滑套。投球壓裂滑套可分為固定球座分段壓裂滑套和可變球座分段壓裂滑套。連續(xù)油管+井下工具壓裂滑套可分為液控式和機(jī)械式。

油田所用投球式壓裂滑套需要精確控制泵注液體體積，從而需要優(yōu)化壓裂工藝，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下壓力。投球滑套要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差壓裂則需要采用可變徑球座，消除井眼內(nèi)徑對(duì)投球數(shù)量的限制，從而消除對(duì)壓裂級(jí)數(shù)的限制。

油田所用的連續(xù)油管+井下工具壓裂需要在井下精確定位，Hallibruton公司采用了無(wú)線套管接箍定位器，減少了誤差。雖然國(guó)內(nèi)的連續(xù)油管輔助壓裂應(yīng)用廣泛，但無(wú)線射頻技術(shù)在井下應(yīng)用困難，必須加大井下信息傳輸?shù)难芯?，使壓裂朝著智能化發(fā)展。連續(xù)油管+井下工具實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差壓裂需要采用可變徑工具，實(shí)現(xiàn)坐封，壓裂地層。

無(wú)級(jí)差壓裂技術(shù)應(yīng)用廣泛，同時(shí)也要提高有限級(jí)壓裂的壓裂效果，更好地改造儲(chǔ)層，提高油田采收率。但就國(guó)內(nèi)而言，無(wú)級(jí)差壓裂技術(shù)不成熟，仍需借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，加大研發(fā)力度。

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Fracturing Sleeve Technology Research Domestic and Overseas

AN Lun1，HE Dongsheng1，ZHANG Liping2，JING Jianglu2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.DownholeOperationBranch，CNPCXibuDrillingEngineeringCo.，Ltd.，Karamay834000，China)

Abstract：A method of reservoir reconstruction for horizontal well with casing sliding sleeve fracturing has been developed in recent years.The technique does not require casing cementing，perforating or other operation.Investigation and research on the fracturing technique show that opening the sliding sleeve with special tools (ball，darts，HBA) and coiled tubing with downhole tool，pressure，realize the formation permeability and porosity enhance oil recovery.Meanwhile，the fracturing sliding sleeve products in the foreign companies are introduced in detail，as the same to analysis in the structure，the working principle of each fracturing tool，and its advantages and disadvantages.According to the disadvantage of fracturing technique，the key option in research and the direction of development of the sliding sleeve are put forward at the present stage of fracturing.

Keywords：staged fracturing；fracturing sleeve；reservoir transformation

中圖分類號(hào)：TE934.203

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.019

作者簡(jiǎn)介：安倫(1990-)，男，四川閬中人，碩士研究生，主要研究方向：鉆井機(jī)械，E-mail：648402357@qq.com。

基金項(xiàng)目：石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(010861012)

收稿日期：①2015-09-17

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0084-05