2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司
2. Tianjin Company of CNOOC Co., Ltd
0 引言
水力压裂是一项改造油气藏的有效增产措施。近年来国内各大油田针对低渗致密油气藏开发了多种压裂工艺技术，目前常用的技术包括水力喷砂分段压裂技术、投球式分段压裂技术和液压式分段压裂技术。其中水力喷砂射孔分段压裂技术将水力喷砂射孔技术和水力压裂工艺合二为一，能够快速准确地进行多层压裂而不用密封隔离工具，但在喷砂过程中高速喷砂液喷射到套管壁后返溅到工具上，存在工具失效风险，其次还存在砂卡管柱风险。投球式分段压裂技术压裂管柱相对简单，管柱遇卡风险小，但受到压裂球和球座尺寸限制，压裂段数受限，施工后井筒内通径变小，无法进行二次压裂改造和滑套关闭作业。液压式分段压裂技术可实现一趟管柱无限级层段的压裂施工改造，具有作业后保持原套管通径、无需钻除作业以及施工可靠性高等特点，最终可达到油气藏精细分段压裂改造储层的目的[1-8]。
由于我国已投产的低渗致密油气藏单井产量还比较低，产量稳定性不好，所以目前采用液压式分段压裂技术工艺更加适合低渗致密油气藏压裂施工改造。但由于固井滑套在水平井中机械开启难度较大，采用液压开启压裂施工，又无法在后期进行关闭，不利于油田对油井产能的控制和管理，现有的滑套关闭工具不具备强制脱手功能，存在安全风险。为此，笔者设计了一种适用于无限级分段压裂工艺的固井滑套及其配套的关闭工具。该工具在试验中取得了良好的效果[9-10]。
1 无限级分段压裂工艺 1.1 工艺原理通过对国内外固井滑套分段压裂工艺技术进行调研，取长补短，设计了无限级分段压裂工艺，其作业管柱如图 1所示。该工艺在二开套管完井时，无限级压裂固井滑套和套管连接，然后固井。固井滑套安装的位置即为压裂层位。固井完成后，从井眼下入连续管井下工具组合，从下到上依次打开无限级压裂固井滑套，然后依次进行压裂。压裂液通过滑套上的压裂孔进入地层。与连续管水力喷砂射孔分段压裂技术相比，该工艺无需喷砂射孔，减少了由于喷砂射孔造成砂堵等危险，并且该工艺的压裂通道比连续管喷砂射孔分段压裂工艺的压裂通道大，可大排量施工，砂卡风险低。
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| 1—连续管；2—安全接头；3—扶正器；4—水力喷射器；5—平衡阀；6—无限级压裂固井滑套；7—拖动压裂封隔器；8—接箍定位器。 图 1 无限级压裂作业管柱示意图 Fig.1 Schematic diagram of infinite stage fracturing operation string |
1.2 工艺步骤
无限级分段压裂工艺步骤如下：
(1) 将套管与固井滑套(多个)顺次连接，一起下井并固井。
(2) 采用连续管将无限级压裂作业管柱整体下入套管井中，通过接箍定位器确定压裂位置，然后下压连续管，坐封封隔器，将井筒的上部和下部分隔。
(3) 向连续管与套管环空加压，打开施工层的固井滑套，进行该层段的压裂施工。
(4) 如果固井滑套未打开，向连续管内泵入砂液，通过水力喷射器进行喷砂射孔，然后进行反洗井，防止砂卡。
(5) 通过连续管与套管环空进行压裂施工，压裂完成后上提连续管，完成封隔器解封和平衡阀开启。
(6) 向连续管与套管环空进行反洗井，将压裂过程的砂液冲洗干净，由于封隔器已解封，反洗井可以将射孔和压裂两次作业剩下的砂液全部冲洗干净，防止砂埋管柱，出现卡钻事故。
(7) 上提管柱，通过接箍定位器找到上层压裂位置，重复步骤(2)~(6)，即可进行无限层段的压裂施工。
2 主要工具结构设计 2.1 无限级压裂固井滑套为了解决固井滑套在水平井中机械开启难度大，采用液压开启压裂施工无法在后期进行关闭的问题，设计了一种无限级压裂固井滑套。相比传统的固井滑套，无限级压裂固井滑套具有液压开启和机械关闭功能，提高了作业可靠性。
无限级压裂固井滑套结构如图 2所示，主要由上接头、防松销钉、上连接筒、剪切销钉、移动套、定位套、下连接筒以及下接头等组成。其特点在于：下连接筒内部为密封面，与拖动压裂封隔器配合实现隔离密封，滑套内部加压时，移动套在压差的作用下剪断剪钉向下移动，从而打开滑套压裂通道即可进行压裂施工。移动套内部设有台阶，与专用关闭工具配合可实现固井滑套的关闭。
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| 1—上接头；2—防松销钉；3—上连接筒；4—剪切销钉；5—移动套；6—定位套；7—下连接筒；8—下接头。 图 2 无限级压裂固井滑套结构示意图 Fig.2 Structural schematic diagram of the cased hole sliding sleeve for the infinite stage fracturing |
设计的无限级压裂固井滑套主要技术参数如表 1所示。
| 参数名称 | 数值 |
| 压力等级/MPa | 60 |
| 温度等级/℃ | 120 |
| 最大外径/mm | 200 |
| 最小内通径/mm | 124 |
| 开启压力/MPa | 12~16 |
| 总长/mm | 2 235 |
2.2 液控式固井滑套关闭工具
在油气井生产后期，部分层段含水增加，需要关闭压裂滑套。现有的液压开关工具能满足正常情况下压裂滑套的关闭作业要求，但针对井眼不规则和固井质量差的油气井，井底情况复杂，现有的液压滑套开关工具不具备在关闭滑套过程中遇卡时强制脱离的功能，存在安全风险。
液控式固井滑套关闭工具主要由上接头、中心管、大弹簧、压套、开关块、小弹簧、剪切套、剪钉以及下接头等组成[11]，如图 3所示。
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| 1—上接头；2—中心管；3—大弹簧；4—上压套；5—开关块；6—小弹簧；7—剪切套；8—剪钉；9—下压套；10—下接头；11—防松钉。 图 3 液控式固井滑套关闭工具结构示意图 Fig.3 Structural schematic diagram of hydraulically controlled sliding sleeve closing tool |
该固井滑套关闭工具的上压套设置在中心管外侧并与中心管外壁之间形成环形空腔，液体从中心管上的连通孔进入到环形空腔，当进行正循环洗井时，在较低的液压作用下，上压套和下压套受液压力作用分别向两端移动，压缩大弹簧，开关块在小弹簧的作用下向外突出。
上提管柱，液控式固井滑套关闭工具随着作业管柱向上移动，突出的开关块勾住固井滑套内部移动套上的台阶，向上移动直至将压裂滑套完全关闭，此时开关块上部锥面与固井滑套内部缩颈台阶发生挤压，开关块缩回，与固井滑套内部移动套脱离，完成固井滑套关闭操作。
停止正循环，在大弹簧回复力的作用下，开关块受到上压套和下压套的推力，自动缩回。在开关工具上提遇卡时，如油管泄压后仍无法解卡，增大上提力至30~50 kN，开关块下压剪切套，剪断剪钉，下压套移动至限位处不再下移，开关块与下压套相互挤压，从而迫使开关块径向缩回，实现解卡。液控式固井滑套关闭工具主要技术参数如表 2所示。
| 参数名称 | 数值 |
| 压力等级/MPa | 35 |
| 温度等级/℃ | 120 |
| 工具外径/mm | 118 |
| 开关块突出后工具外径/mm | 146 |
| 最小内通径/mm | 42 |
| 开关块突出所需压力/MPa | ≥1 |
| 总长/mm | 1 015 |
3 关键技术分析 3.1 移动套设计
移动套设计时，重点考虑移动套的外径、内径、应力和管壁厚度等参数。移动套在半径r处时，受到的应力如下：
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(1) |
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(2) |
式中：a为移动套内半径，mm；b为最小外半径，mm；p1为内部压力，MPa；p2为外部压力，MPa；σ1为径向压应力，MPa; σ2为轴向压应力，MPa。
由于移动套可上下自由移动，不承受轴向载荷，所以无需计算σ2的数值。移动套最小壁厚计算式为:
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(3) |
式中: D为最小外径，mm；pi为最大内压，MPa; [σ]为材料许用应力，MPa。
3.2 定位套受力分析定位套是无限级压裂固井滑套的关键部件。定位套与移动套连接，移动套在关闭位置和开启位置时，定位套上的凸出部位正好位于上连接套内部凹槽内。在剪钉剪断的同时，弹性爪从关闭位置移动到开启位置，受力状态由自然状态、压缩状态再到自然状态转变。定位套设置20片弹性片，均匀分布，其三维结构如图 4所示。
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| 图 4 定位套三维结构 Fig.4 Structure of the positioning sleeve |
定位套的材料为65Mn，其抗拉强度为735 MPa，屈服强度为430 MPa，泊松比为0.29，弹性模量为210 GPa。采用SolidWorks工程软件制作定位套简化模型，并导入到有限元分析软件ANSYS中进行受力分析。
为了提高计算效率，截取1片弹性片进行分析计算。弹性片从无限级压裂固井滑套下连接头内的凹槽中挤出，所受作用力为479.3 N，据此可以推算出整个定位套从固井滑套下连接头内的凹槽中挤出需要的作用力为9 586 N。连续管作业时，考虑到设备耗损，上拉力通常控制在50 kN以内，固井滑套关闭力约为10 kN，既在连续管安全拉力范围内，又能避免工具串上提和下放时造成固井滑套的误动作。
3.3 开关块强度分析开关块是液控式滑套关闭工具的关键部件。开关块上有凸出台阶，与固井滑套的移动套相配合。移动套上的凹槽与开关块上的凸出台阶相配合时，可以通过关闭工具对固井滑套进行关闭动作。开关块三维结构如图 5所示。关闭工具共设有4个开关块，且4个开关块均匀分布。
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| 图 5 开关块三维结构 Fig.5 Structure of the shifting block |
利用有限元分析软件ANSYS对开关块进行强度分析[12]。开关块的材料为35CrMo，其抗拉强度为985 MPa，屈服强度为835 MPa，泊松比为0.3，弹性模量为206 GPa。通过SolidWorks工程软件建模，并导入到ANSYS中，采用四面体对开关块进行网格划分，结果如图 6所示。
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| 图 6 开关块网格划分 Fig.6 Shifting block meshing |
按照最大40 kN的拉力作用在关闭工具的4个开关块上进行计算，每个开关块承受10 kN的拉力。经过有限元分析，开关块的位移分布云图和应力分布云图分别如图 7和图 8所示。
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| 图 7 开关块的位移分布云图 Fig.7 Displacement distribution of the shifting block |
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| 图 8 开关块的应力分布云图 Fig.8 Stress distribution of the shifting block |
由图 7可以看出，在极限工况下最大综合变形出现在开关块直台阶边缘，其值约为0.007 mm，变形在尺寸公差范围内。由图 8可以看出，最大应力出现在开关块直台阶根部，其值约为57 MPa，远小于合金钢35CrMo的屈服强度835 MPa，因此开关块强度足够。
4 现场测试为了检验无限级压裂固井滑套及液控式固井滑套关闭工具的性能，2019年10月在井下工具试验中心车间进行了现场测试。首先连接管线，依次加压至14、28、42和60 MPa；然后在无限级压裂固井滑套内安装密封堵头，测试固井滑套开启压力。测试显示在每个压力值下稳压5 min，无渗漏，压力达到60 MPa时，稳压15 min，固井滑套无渗漏和变形。固井滑套开启压力为16 MPa，压裂通道完全打开，如图 9所示。由测试结果可知，固井滑套具有较高的耐压等级，其开启压力准确，压裂通道完全开启。
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| 图 9 固井滑套完全开启 Fig.9 Fully opened cased hole sliding sleeve |
开启压力测试完毕后，再对开启后的固井滑套进行关闭测试和强制脱手测试。将液控式固井滑套关闭工具放入到固井滑套内部，关闭工具内部保持1 MPa压力，采用拉拔设备连接固井滑套关闭工具，并向外拉，测试结果显示，固井滑套关闭动作连续无卡阻，当拉力达到40 kN时，滑套关闭工具的剪钉被剪断。由测试结果可以得知，液控式固井滑套关闭工具可有效完成对固井滑套的关闭动作，设计的强制脱手压力准确，如图 10所示。因此关闭工具可有效避免在固井滑套关闭过程中因拉力过大造成的连续管拉断风险。
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| 图 10 关闭工具强制脱手 Fig.10 Closing tool forced release |
5 结论
(1) 针对无限级压裂技术，设计了一种可实现液压开启和机械关闭的固井滑套以及配套的关闭工具，并利用有限元分析软件ANSYS对工具的关键部件进行了分析，分析结果表明，工具结构设计合理，满足现场使用要求。
(2) 现场测试结果表明，该无限级压裂固井滑套可承受60 MPa压差，液压开启压力约为16 MPa；滑套关闭工具在不低于1 MPa的压差作用下开关块能完全突出，可有效进行固井滑套的关闭动作，其强制脱手拉力约为40 kN。该关闭工具可有效避免在固井滑套关闭过程中因拉力过大造成的连续管拉断风险。
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