2014, Vol. 36
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在水平井分段压裂酸化工艺中，滑套作为储层沟通/隔离和油藏管理的关键工具，在入井之后，有可能在整个油井生产周期内都需要能实现开/关操作。但在操作过程中，受本体结垢、生锈及岩屑等因素的影响，驱动滑套开关通常需要一个很大的力，再加上密封圈的摩擦和限位机构的限制，这个力可能会更大，为了能够实现长水平段的滑套开关，通常采用连续油管带开关工具进行操作。
目前机械式滑套开关工具是否顺利完成操作是通过地面负载和井口压力、流量变化判断的。由于地面显示与井下实际情况存在较大差异，这种方法无法真正了解井下滑套实际开关及到位状况，经常会出现误判及操作失误的情况。基于此，存储式井下测量工具被用于滑套开关操作，但这种工具只有在被取出地面后才能通过提取的数据分析井下情况，一旦确定井下操作出现问题，还需要再次下入连续油管进行操作，增加了大量非生产作业时间和成本。最近，国外石油服务公司提出了一种新的滑套开关工具，通过连续油管带光纤设备连接井下测量及开关工具，能够实时监测滑套下深、井下负载、温度、压力等参数，并基于此进行工具定位、井下情况实时判断及滑套开关操作，不仅能够有效实现滑套开关操作，同时节约了大量时间与成本[1-8]。
1 工作原理该滑套开关工具串主要由压力/温度测量短节、接箍定位器短节、测力传感器短节及液压驱动双向滑套开关短节等几部分构成(图 1)，通过特殊接头与上端连续油管及其中的光纤分别实现机械及电气连接。连续油管把工具串送入井下指定位置进行测量及开关操作，光纤能够把井下测量短节的测量数据实时传送至地面。
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| 图1 开关工具示意图 Fig. 1 Structure shifting tool |
井下压力测量能够监测连续油管内及环空压力，其测量结果用来计算通过井下工具的压差，这个压差值可保证在操作滑套开关短节时能维持一个合适的开关力，使得短节上的弹爪撑开；否则的话，这个力必须通过地面循环压力来计算，误差较大；另外，如果滑套开关所需力很大，需要震击器来辅助开关时，通过震击器的压差值能够被监测并维持在一个正常的水平。
井下温度测量能够监测井下工具处的温度，通过温度变化可以监测套管或滑套的泄露情况。该测量值也可被用来修正由于温度因素引起的井下压力及负载变化。
套管接箍定位器采用磁定位原理，设计时在中间留有用于循环液体的通道。在进行套管校深时，要求连续油管以一个恒定速度下放，不仅能够通过监测套管接箍位置来校正深度，也可以根据测量曲线的变化判断滑套的开关情况。这种接箍定位器在井下采用1 000 Hz的激励电压，并通过滤波来移除噪声，之后通过1 Hz的频率把信号送回地面。这种方法确保在连续油管标准操作过程中，一个很小的异常都能在数据采集及显示时体现出来。
井下测力短节用来监测井下工具处所受轴向负载，该值对于确认开关工具是否正确连接滑套以及监测开关过程是至关重要的。除了有助于开关工具的操作，井下负载测量也可用来判断震击器的操作是否合适。但轴向负载测量结果要对水力及压差影响进行补偿。
2 井下滑套开关工具配套系统分析 2.1 光纤通信相较于电缆于连续油管通信与安装电缆相比，在连续油管内安装光纤作为一种新的井下实时通信方式具有以下3个优势。
(1) 由于体积原因，把电缆装入连续油管会在很大程度上限制泵入排量，同时由于化学配伍性问题，泵入流体类型也受限制；与电缆相比，光纤的直径更小，对泵入排量和循环摩阻的限制较小，同时，由于光纤本身抗冲刷和耐腐蚀特性，对流体类型基本也没有限制[9-10]。
(2) 连续油管装入电缆后所产生的额外重量在很大程度上降低了连续油管在水平井内的通过距离；而光纤重量轻，对连续油管下入时所产生的摩阻影响很小，能够最大限度地保证连续油管在水平井中的通过距离[11-16]。
(3) 安装在连续油管内的光纤能够测量整个井筒的温度剖面，可用来判断滑套的开关状态及井筒的完整性[17-19]。
2.2 井下负载实时测量相较于井口负载测量连续油管在长水平井中应用时，地面指重表(负载)往往无法真实反映井下受力状况，这个问题在判断连续油管是否自锁或遇阻时更加明显[20-21]。从图 2(其中：1 ft=0.304 8 m；1 psi=6.895 kPa；1 lbf=4.45 N)可以看出，当连续油管遇阻时(遇阻位置如图 2中水平虚线所示)，井下工具的负载曲线出现一个急剧下降，这说明井下工具从基本不受力变为受压力，同时也说明此时并没有发生连续油管的自锁；之后上提连续油管时，井下负载曲线出现一个明显的正向脉冲趋势，这说明井下工具被卡住后通过上提操作解卡，此时井下工具从受上提的拉力恢复为基本不受力状态。
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| 图2 连续油管下入过程遇阻时，地面负载及井下负载变化趋势对比 Fig. 2 The comparison of surface and downhole loads when obstruction encountered during CT run in hole |
如图 3所示，连续油管在下入过程中遇阻，之后立即上提，地面指重表(负载)读数急剧上升，这种显示在部分情况下会认为是连续油管上部遇卡。
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| 图3 井下工具遇卡时，连续油管上提下放过程地面负载及井下负载变化趋势对比 Fig. 3 The comparison of surface and downhole loads when BHA was stuck |
本新型滑套开关工具首先在休斯敦附近的一口测试井下进行了场地试验。该井是一口直井，井深2 079 m，采用4${}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\; $ in.(1 in.=25.4 mm)油管完井，分别在435 m和1 957 m处安装了两个4${}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\; $ in.可开关滑套，开关工具最大外径2${}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{8}\; $ in.，滑套开关行程15 in.[1]。
分别针对滑套处于开和关两种状态时CCL (接箍定位器)测量曲线的变化进行了测试。测试曲线采用标准深度，以滑套上端为起点，设深度为0，向下运行深度为正值。在接近滑套上端位置时，开关工具下放速度控制在约3 m/min。图 4显示的是较浅处滑套分别处于开、关状态时滑套处CCL测量曲线变化规律。从图 4中可以清楚地看到，在两条曲线中部平缓部分存在一个错位，而这个错位距离近似等于滑套开关的行程15 in.。
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| 图4 滑套处于打开和关闭两种状态时，CCL测量曲线变化对比 Fig. 4 Open and closed CCL profiles (one each) of a sliding sleeve |
同时，试验中也做了滑套部分打开的CCL测试，如图 5所示。滑套行程确定，其完全打开和完全关闭所对应的曲线规律也是确定的，从图 5中可以看出，滑套是否只是部分打开(关闭)也是能够通过CCL测量曲线判断的。
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| 图5 滑套分别处于完全打开、部分打开和完全关闭状态时，CCL测量曲线变化对比 Fig. 5 CCL profiles of a sliding sleeve in the open, partially shifted and closed position |
井下负载对于滑套开关是一个重要的参数。图 6是较深处滑套打开时，井下负载和地面负载的变化情况。从图中井下负载曲线可以看出，曲线中部出现两个尖峰，一个是滑套克服静摩擦力及其阻力开始移动所引起的，另一个是滑套移动到位，开关工具脱开滑套引起的，这充分说明滑套成功完成了打开操作。另外，通过比较两条曲线可知，井下负载波动上传到地面后，衰减是很大的；且波动会发生延迟并变得平缓，对判断井下情况存在很大的影响和干扰。
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| 图6 滑套打开操作中，地面负载与井下负载的变化规律 Fig. 6 Comparison of downhole and surface loads while shifting a sleeve open |
图 7是较浅处滑套在关闭操作中，井下负载和地面负载的变化情况。从图 7中曲线可知，其变化规律与图 6试验结果基本一致，证明了测试结果的可重复性和可靠性。
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| 图7 滑套关闭操作中，地面负载与井下负载的变化规律 Fig. 7 Comparison of downhole and surface loads while shifting a sleeve closed |
成功完成场地试验后，该开关工具又在丹麦Tyra油田东部地区进行了3口水平井的现场应用，井况参数见表 1所示。为了保证应用成功，现场分3步进行作业：
(1) 连续油管带打捞篮下井至最下端滑套处，清理井下碎屑并清洗井眼；
(2) 下生产测井工具，获取井下油、气、水数据，确定需要对哪一个滑套进行开关操作；
(3) 下滑套开关工具进行开关作业。
按照以上步骤，除了第一口井由于油管挤毁导致开关工具无法下入，其余两口井分别成功完成了指定2个滑套的关闭和3个滑套的打开作业。
| 表1 3口现场试验井参数 Table 1 Parameter of the 3 field test wells |
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(1) CCL技术可用于滑套准确定位及确定开关位置，井下负载及压差测量有助于滑套开关操作。
(2) 井下负载测量数据用于准确判断连续油管在井下无法移动的原因具有重要价值。
(3) 新型滑套开关工具能够保证在一趟下管柱过程中顺利完成滑套开关操作、确定滑套开关状态以及出现意外情况时及时处理等需求，极大提高了操作效率。
(4) 连续油管带光纤实时传输井下测量数据技术，不仅能够广泛应用于各种常规连续油管作业，提高作业效率；还可用于连续油管测井，消除现有测井仪器送入方法存在的问题，使测井仪器在水平井中具有更强的通过能力。
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