裸眼分段压裂投球式滑套球座关键技术研究

秦金立， 吴姬昊， 崔晓杰， 李富平, 邹传元

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

水平井裸眼分段压裂是低压低渗透油气藏开发的重要增产措施之一，近年来在国内开始推广应用[1-8]。水平井裸眼分段压裂工具是该技术的核心，其中滑套为压裂建立过流通道和压裂级数。而滑套球座作为重要部件，关系到封隔效果及钻除效率，与之匹配的憋压球结构与强度是密封的基础，而造成密封失效的主要因素是冲蚀。因此，球座的材料和结构是提高球座钻除效率的关键。但是，目前国内尚无关于该问题研究的报道。为此，笔者进行了球座与憋压球密封能力有限元分析及试验、球座冲蚀及冲蚀后的密封试验、球座室内钻除试验，以解决投球滑套高承压密封及完井管柱的全通径问题。

1 滑套球座与憋压球密封技术研究

随着储层改造技术的发展及分段压裂工具的不断成熟，需进行压裂改造的水平段不断延长，分段压裂级数不断增加。在φ114.3 mm管柱的有限空间内，压裂级数越多，相邻滑套球座级差应越小。球座级差较小时，是否能满足压裂施工70 MPa的承压能力，则取决于投球滑套球座的承压机构及憋压球材料的强度。

1.1 滑套球座结构的设计要点

φ114.3 mm裸眼分段压裂完井管柱中，压裂油管的壁厚为6.35 mm，内径为101.6 mm，当设计压裂级数大于16级时，球座级差应不大于3.175 mm。当憋压球与球座级差均为3.175 mm时，在压裂施工中既能保证憋压球能顺利通过前一级球座，又能与该级球座形成密封且承压能力大于70 MPa。在设计球座时宜在增大憋压球与球座接触面积的同时，考虑在球座接触面处设计憋压球限位机构，以防止憋压球挤压变形穿过球座，出现上下两层窜层现象。

1.2 憋压球材料优选及力学性能试验

在增大球座与憋压球接触面积的同时，降低了憋压球被挤压变形的可能，但只从球座结构方面提高承压能力是不现实的，憋压球的材料优选也是提高承压能力的关键环节。为保证3.175 mm级差的憋压球与球座承压能力大于70 MPa，要求憋压球刚性好、强度高；为保证压裂施工结束后放喷压裂液时，憋压球能被返排至地面，憋压球的当量密度要低。针对上述要求，优选低密度高分子工程塑料作为憋压球的基体材料。另外，因碳纤维(CF)以其强度高、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小以及自润滑等优异性能成为近年来最重要的增强材料之一，所以选择在工程塑料基体中添加一定量的CF，以提高憋压球基体材料的综合力学性能和耐温性能[9-11]。

压裂施工时，如采用的高分子工程塑料强度较低，制备的憋压球可能会破坏，出现变形、压碎等问题，造成憋压球与球座无法形成密封，导致上下窜层。通过理论计算可知，70 MPa压力条件下憋压球的抗压强度在200 MPa左右。根据抗压参数指标，优化低密度高分子工程塑料配方、制作试样，进行了憋压球抗压强度试验，结果如图1所示。

图1 憋压球试样在轴向压缩时的应力应变曲线Fig.1 Stress-strain curve at the time of axial compression of ball specimen

从图1可以看出，配方优化后的高分子工程塑料的抗压强度大于230 MPa，达到了理论要求。

1.3 滑套球座与憋压球的承压能力分析

为验证憋压球封堵球座的密封能力，利用ANSYS有限元分析软件对憋压球及球座进行了分析。由于憋压球及球座的模型和载荷都轴对称，外加载荷也轴对称，故取剖面建立了轴对称平面模型。材料性能：球座材料为铸铁，抗压强度近500 MPa；憋压球材料为高分子工程塑料，抗压强度230 MPa，弹性模量2.1 GPa，泊松比0.3。

现场压裂过程中，最大施工压力不超过70 MPa，且该压力均匀作用到憋压球与球座上。φ63.5 mm憋压球作用到匹配的球座上，当憋压球上部承受70 MPa压力时，憋压球与球座的应力分布如图2所示。

图2 憋压球上作用70 MPa压力时其与球座的应力分布Fig.2 Stress distribution between ball and ball seat when 70 MPa pressure is applied at the ball

由图2可知：球座的最大应力为240 MPa，憋压球的最大应力小于214 MPa，均远小于其抗压强度，故认为是安全的。

1.4 滑套球座与憋压球的密封性能试验

在有限元分析的基础上，通过地面试验验证了级差3.175 mm憋压球与配套球座的密封能力，试验结果见表1。

表1 低密度憋压球参数及试验结果Table 1 Parameters and experimental result of low-density ball

由表1可知，憋压球的静压差均达70 MPa；由于现场试验过程中管柱施工压力不大于70 MPa，再者憋压球在使用时下部有背压，故用优选材料制成的级差3.175 mm的憋压球可以满足现场使用要求。

2 滑套球座可钻性研究

在压裂施工作业中，优选的憋压球与球座复合后应承受大于地层的破裂压力，球座作为憋压球的主要支撑件，球座材料应具有足够的抗压强度。压裂施工结束到采油后期，对管柱进行后续作业时，需要将球座钻除，实现管柱全通径，球座材料应具备易钻除性能。为此，开展了滑套球座的可钻性研究，优选了球座材料，利用钻除性能试验验证了滑套球座材料的可钻性。

2.1 球座材料的优选

结合目前国内外可钻桥塞、可钻封隔器等所用材料的特性，优选铸铁作为加工球座的材料。铸铁材料具有较低的熔点、优良的铸造性能、较高的减摩性和耐磨性，且生产工艺简单，成本低廉，经适当合金化以后还可以具有良好的耐蚀性[12]。

滑套球座经过大量加砂溶液冲蚀，再与憋压球复合密封承受上部近70 MPa的液柱压力，此时球座与滑套连接处承受较大拉力，与憋压球接触部位承受较高的压力，因此球座材料应具有较高的强度且耐冲击，但为了更容易将球座钻除，球座材料的硬度和韧性不宜过高。因此，在多种铸铁材料中，优选T1和T2两种材料。

2.2 球座可钻性试验

准备好球座试验装置、现场用钻除磨鞋、冲洗液、提供扭矩和钻压的试验设备，然后将优选的T1和T2两种材料及常用的合金铝、合金钢等材料加工为成品球座，并安装在球座试验装置中，与多功能试验台架相连；将试验装置液缸与试压泵相连，对球座试验装置底座进行固定以防其旋转；调节试验台架高度，开始试验，记录其转数与初始扭矩，试压泵开始加压，同时开始记录球座钻除时间，待钻除扭矩稳定后记录钻除扭矩。

对4种材料的球座样机进行了每样3件的钻除试验，球座钻除前后的形貌如图3所示，钻除时间见表2。

图3 球座钻除前后的形貌Fig.3 Shape of ball seat before and after being drilled out

球座材料钻压/kN转速/(r·min-1)循环排量/(m3·min-1)稳定扭矩/(N·m)钻除时间/sT120250.35380195T220250.35385360铸铝20250.354501 300合金钢20250.355102 700

由表2可知，在试验条件下，T1材料的球座其平均钻除时间为195 s，T2材料的球座其平均钻除时间为360 s，T1的可钻性较T2稍好。对于合金铝和合金钢2种材料的球座，不仅钻除扭矩大，钻除时间也长。根据试验数据并经综合考虑，选择可钻性较好的T1作为加工球座的材料。在钻除过程中，单个磨鞋顺利完成12个球座的钻磨铣工作，因此在井下球座磨铣过程中，一个磨鞋可满足大多数井况的球座磨铣任务，不必中途起钻更换磨鞋。

3 滑套球座耐冲蚀性能分析

压裂施工中压裂液的排量较大，加之压裂液中有大量的石英砂、陶粒等颗粒，对球座会产生较大的冲蚀，且越靠近井口的球座冲蚀时间越长。如不对球座内表面进行硬化处理，球座可能会被压裂液冲蚀出小坑眼，待球到位后将很难与球座形成密封。故需对球座表面进行硬化处理，以改善其耐磨性和耐冲蚀性能。

3.1 球座的表面硬化处理

3.2 球座的冲蚀及密封试验

用优选的材料加工成球座并经过表面硬化处理后，将其组装至设计的冲蚀试验装置内。整体试压70 MPa无泄漏后，将该试验装置接入正在裸眼分段多级滑套压裂施工的压裂管线之间进行了冲蚀试验，其中与憋压球复合的一端为液体的进口方向。试验过程中，以3.5 m3/min的排量泵送前置液和携砂液，冲蚀时间共计600 min，加砂总量达233 m3。

球座试验装置在冲蚀近600 min后，球座表面无明显冲蚀现象。之后，将球座再次组装至球座冲蚀试验装置中，投憋压球至球座处，连接试压泵，进行密封性能试验。加压至70 MPa，稳压10 min，无压降，证明冲蚀后球座与优选憋压球的耐压能力满足要求。

4 现场试验

自2012年首次应用以来，设计的多级滑套压裂工具在红河油田、大牛地气田等油气田的8口井进行了试验。在8口井总计72级的分段压裂施工中，单井最多压裂段数达到12级，封隔器有效封隔压力达64 MPa，封隔井径最大达175 mm，滑套打开成功率100%。

其中，DPS-63 井是大牛地气田的一口水平井，也是水平井多级滑套分段压裂工具现场应用的第8口井，该井进行了12级分段压裂。DPS-63 井压裂施工曲线如图4所示。

图4 DPS63 井压裂施工曲线Fig.4 Fracturing operation curve of Well DPS63

由图4可知，DPS-63井的平均施工排量为4 m3/min，球与球座平均密封压力达20 MPa时打开滑套并开始进行每段的压裂施工，第1～10段压裂曲线平稳，第11段出现了油压升高的情况。后经相关人员及时有效处理，顺利完成第11段及12段的压裂施工。压裂过程中，入井总液量3 833.8 m3，加砂总量471 m3，注入液氮总量205.3 m3。综合而言，该井压裂施工顺利，裸眼封隔器有效封隔，滑套打开压力明显，证明滑套球座与憋压球的密封性能及滑套球座的耐冲蚀性能均满足现场要求。

5 结 论

1) 通过分析研究，选择配方优化后的高分子工程塑料作为加工憋压球的材料，T1为加工滑套球座的材料。室内试验和现场试验均表明，采用优选材料加工成的滑套球与憋压球的密封性及球座的可钻性、耐冲蚀性满足现场要求。

2) 设计的多级滑套压裂工具成功试验了8口井，完成了72级压裂施工，其中单井最大压裂级数12级。压裂中，滑套打开压力明显，压裂曲线显示无窜层现象，进一步证明球座与憋压球的密封能力及球座的耐冲蚀性能达到了设计要求。

3) 设计的多级滑套压裂工具的成功应用，解决了页岩气等非常规水平井裸眼段逐级分段压裂的关键问题。

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