国内外水平井压裂滑套技术研究进展

安　伦，何东升，张丽萍，荆江录

(1.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500；

2.中国石油集团西部钻探工程有限公司 井下作业公司，新疆 克拉玛依 834000)①



国内外水平井压裂滑套技术研究进展

安伦1，何东升1，张丽萍2，荆江录2

(1.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500；

2.中国石油集团西部钻探工程有限公司 井下作业公司，新疆 克拉玛依 834000)①

摘要：套管滑套压裂技术是近几年发展起来的一种水平井储层改造方法，该技术不需要下套管固井、射孔等操作。通过对国内外压裂技术调研分析，发现国内外压裂滑套技术采用特殊工具(球、飞镖、HBA)或者使用连续油管和井下工具打开滑套，进行加压，实现地层压裂，改善地层的渗透率、孔隙度，提高采收率。介绍了国外各公司现阶段的压裂滑套产品，并分析了各压裂工具的结构、工作原理，对比其优缺点。针对国内现阶段的压裂滑套技术的不足指出了现阶段压裂滑套的研究重点和发展方向。

关键词：分段压裂；压裂滑套；地层改造；多级压裂

随着石油天然气的开发、开采，低渗透、低空隙度等非常规油气井增多，开发难度加大。水平井分段压裂技术有效的实现了压裂增产的目的，是油田增产增注的有效手段。这项技术在页岩气、煤层气的开发中占主导地位。随着非常规油气田的增多，水平井钻井数越来越多，水平井压裂技术的应用也越来越广泛[1]。近几年，我国的水平井分段压裂技术取得了很大进步，但与国外的技术仍然存在差距。

压裂滑套是分段压裂技术的关键。国内外对压裂滑套的结构和功能进行了对比研究[2-5]。要有效的实现压裂增产，滑套必须具备以下特点：

1)滑套能在设定压力下准确打开，需要的时候能关闭。

2)滑套在未打开之前，压裂液或者其他流体不外泄，密封有效。

3)在实现上一级或几级压裂时，保证与下一级之间有效封堵。

1国外压裂滑套现状

国外水平井分段压裂技术已经广泛应用，其设备也相对完善。BackerHughes、Sclumberger、Halliburton和Weatherford公司都有自己的压裂滑套及其配套工具。

从分段级数上分，压裂滑套可分为无级压裂滑套和有限级压裂滑套。无级压裂有Weatherford公司的I-ball工具、Schlumberger公司的TAP完井系统；其他压裂方法可以实现不同层数的压裂。从压裂工具打开方式上分，可分为投球(飞镖)式压裂滑套、连续油管工具打开压裂滑套和液压打开3种工具。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；连续油管打开压裂滑套有Weatherford公司的ZoneSelect Monobore系统，液压打开压裂滑套有BJ Servces公司的OptiPort系统。

1.1Weatherford公司的ZoneSelectTM系统

1.1.1Monobore工具

Weatherford公司的ZoneSelectTM Monobore压裂工具适用于水平井，主要由压裂滑套和井下组合工具(BHA)两部分组成[5]，属于机械开启式压裂滑套。Monobore滑套有上接头、下接头、内滑套和密封圈等组成，如图1所示。压裂滑套随套管一起下放到井下需要压裂的层位，然后坐封悬挂封隔器，坐封尾管。井下组合开关工具由连续油管或其他工具带入井下，开启或关闭滑套，实现各产层的压裂。

1—上接头；2—内滑套；3—密封环；4—下接头。

连续油管上的井下组合工具可以选择性地打开或关闭任何一个滑套。当需要压裂某一地层时，首先将井下组合工具与相应地层的压裂滑套通过锁块相配合，下放连续油管，带动井下组合工具和内滑套下移，打开滑套，连通油管和地层环空。然后，上提连续油管将井下组合工具停在工具腔内，如图2所示。最后加压压裂地层。当压裂完成后，将井下组合工具移动到其他滑套处，实现其他地层的压裂。直到所有的地层压裂完成，关闭不需要的地层，取出连续油管。

1—锁块；2—开关工具;3—工具腔。

Monobore滑套能在国外广泛应用，有其独特优点：利用连续油管打开或关闭，可以减少井口泵入液体，实现所有层均可单独压裂；套管内径不变，理论上可实现无级差压裂；压裂时连续油管不用取出，大幅减少了作业时间；耐温可达163 ℃。由于连续油管自身的限制，事实上不能做到无级差压裂；利用连续油管定位开关工具也是一个技术难题。

1.1.2Multi-shift工具

Multi-shift压裂滑套可以用在水平井或者竖直井中，主要由上接头、下接头、球座、销钉、内滑套等组成，如图3。滑套安装在两个封隔器之间。当地面投入的球坐落在球座上后，加压，推动内滑套下移，打开滑套，进行压裂。然后投入较大的压裂球对上一层进行压裂，直到所有产层压裂完成。压裂完成后，对井眼进行清洗，磨铣掉球座和留在井眼中的压裂球。井眼处理完成后，就可以用常规的开关工具关闭不必要的滑套。

1—上接头；2—球座；3—销钉；4—内滑套；5—下接头。

Multi-shift滑套可以与直径为88.9、114.3、139.7 mm的套管配套使用，可压裂层数分别为13、19、21。承受最高温度为163 ℃。剪切压力调节为6.9～27.6 MPa。所用的压裂球的增量约为3 mm。

利用投球来控制滑套打开的方式简单、方便，球座设计能保证密封。球座都是用铸铁制成，保证了磨铣过程快速且有效。投球滑套对泵注液体体积要求严格[5]，液体体积控制不好可能导致提前坐封或者滞后坐封。提前坐封导致上一个压裂层还没有充分压裂，形成裂缝；坐封滞后，导致压裂好的产层支撑剂流失，达不到预期的压裂效果。

1.1.3Single-Shot工具

Single-shot工具的结构与Multi-shift基本一致，有上接头、下接头内滑套、球座等部分，但增加了卡环，如图4。卡环用于内滑套和外壁的轴向定位。滑套下行至卡环与外壁的凹槽对其的位置时，卡环张开锁死，内滑套固定，防止了滑套在打开后再自行关闭。其工作原理与Multi-shift也大致相同：投球、加压、剪断销钉、打开滑套、压裂，最后反排球，磨铣球座，再投产。

该滑套可以与直径为73.03、88.9、114.3、139.7 mm套管配合使用，可压裂的层数分别为14、23、40。

要保证压裂层的球顺利返排，压裂球直径从下到上一次递增。由于井眼直径的限制，压裂球的直径不能无限增大，所以压裂层数严重受到限制。

1.1.4I-ball工具

I-ball是Weatherford公司2013年推出的一个压裂滑套工具[7]，是投球压裂滑套的一种，它结合了CT辅助压裂和以往投球滑套的优点。滑套分为7个部分：上接头、计数滑套、球笼、内滑套、弹簧、可收缩性球座、下接头。

为了更好地说明其工作原理，以计数为5的滑套为例。如图5所示，井口投入第1个球后，球运动到计数滑套处推动球笼向下运动一个单元，球顺利通过球笼和下面的收缩球座。直到第5个球通过球笼时，球笼向下运动，带动内滑套向下运动，内滑套推动伸缩球座向下运动的同时压缩弹簧。伸缩球座运动到收缩位置后，压裂球不能通过球座，形成坐封。坐封形成后，井口加压，压裂该产层。其他产层在相应的球投入后可依次压裂。全部产层压裂完成之后，地层压力推动球流向井口。

1—上接头；2—计数滑套；3—球笼；4—内滑套；

I-ball滑套在传统投球压裂基础上做了很大改进。传统投球滑套没有计数滑套，球的坐封由投入球的尺寸来控制，每一个球对应一个压裂滑套。而新型滑套的计数滑套与收缩球座共同完成了压裂层的识别，不需要改变球的直径。用同样尺寸的球进行压裂，取消了球直径对压裂层数的限制，实现无级差压裂。可收缩球座在压裂后可以还原，省去了磨铣球座的工艺，减少成本，提高效率。如果某一处出现砂堵或其他故障，会导致整个压裂工艺中断。

1.2BackerHughes公司OptiPort工具

该技术是BJ公司的专利技术，2009年Backerhughes收购了BJ。这项技术获得2011年E&P增产技术奖。OptiPort滑套是液压开关滑套。主要结构如图6所示。

1—主体；2—油孔；3—上腔；4—内滑套；

滑套工作时，需要井下组合工具配合。井下组合工具由连续油管下放，主要包括管内封隔器、套管接箍定位器等。压裂时，首先通过连续油管下放井下组合工具，由接箍定位器定位。定位后，管内封隔器停在压裂滑套内，且位于内滑套下方，然后向连续油管内打压坐封管内封隔器。 坐封完成后，在连续油管和套管环空中打压，压力通过油孔传到上腔，作用在内滑套上端。压力达到预定值，销钉剪断，内滑套下移，压裂滑套打开。最后加压进行压裂。压裂完成后，对封隔器进行解封。上提或下移连续油管，对下一产层进行压裂。直到所有产层压裂完成后，取出连续油管，全井投产。

OptiPort滑套有自身的优点：无缩径，可以无限制的分层压裂，压裂完成后不需要磨铣桥塞或球座。适用于直径为114.3mm和137.2mm的套管。

1.3Sclumberger公司的TAP系统

Sclumberger公司的TAP工具采用了液压技术和投入飞镖坐封压裂技术[9-10]。其结构如图7所示，包含上接头、流道、内滑套、销钉、液压腔、压差滑套和C形环。

1、8—流道；2—上接头；3—内滑套；4—销钉；

最初压裂时，采用起始压裂阀，其结构与上述结构大致相同。不同点在于球座固定在内滑套上，投入飞镖加压，便可开启滑套，进行压裂。在压裂时，液体压力会通过流道8传到上一级TAP压裂滑套的液压腔。液压腔的压力增大，推动压差滑套向下移动。压差滑套挤压C形环，致使C形环收缩，内径缩小，形成球座。在上一级压裂完成后，投入下一个飞镖，坐落在刚形成的球座上，完成坐封，开始下一级压裂。重复此过程，直到所有的产层压裂完成，开始投产。如果需要关闭不必要的产层，则需下入连续油管和井下组合工具。组合工具与内滑套相配合，上提或下放连续油管，可实现滑套的开闭。

利用TAP滑套压裂，压裂层数不受限制，可实现无级差压裂。同时，压裂完成后，用连续油管可以开闭任意产层。TAP压裂是一个连续的过程，任何一个环节出现故障，压裂将被迫停止。

1.4Halliburton公司的Rapid Frac系统

Rapid Frac系统是Halliburtond 2011年引进的技术，其主要有以下部分组成：Rapid Frac滑套、Rapida Stage滑套、Rapid Start滑套和裸眼封隔器。如图8所示。

1、6—销钉；2—下滑套；4、7—内滑套；3、8—球座；

Rapid Frac滑套和Rapid Stage滑套配合使用，5个Rapid Frac滑套和1个Rapid Stage滑套组合，同一尺寸压裂球可一次性压裂6层。完井管串坐封完成，泵入高压液体进行压裂。Rapid Start在高压下，打开滑套实现最下层的压裂。然后投入最小尺寸的球，球坐落在Rapid Stage上之前，先通过5个Rapid Frac滑套，推动滑套上的球座和下滑套下行。在扩径处球座张开，球继续下行，球座和下滑套锁紧。最后球坐落在Rapid Stage滑套的球座上，实现坐封。坐封完成，开始加压，Rapid Frac滑套在压差下打开，泵入压裂液开始压裂。5个RapidFrac滑套和Rapid Stage滑套处同时压裂，实现一次性压裂6层的高效作业。

Rapid Frac系统最多可压裂15段，每段6个滑套。封隔器耐压70 MPa，最高适应温度177 ℃。

2国内压裂滑套现状

国内各油田和油田服务公司也积极投入压裂滑套的研究。中石油渤海钻探技术研究院对水平井压裂滑套进行了一系列研制和分析[11-13]。中石化德州大陆架石油工程技术有限公司对压裂滑套也进行了探讨[2，14]。

国内的压裂滑套主要采用投球压裂滑套，即一个压裂球压裂一个地层的压裂方式。目前国内对结构的各个部件也进行分析[15]，其结构能够满足功能要求。但这种压裂方式和Weatherford公司Multi-shift 工具具有同样的缺陷。在国内，压裂球的直径递增量最小做到3.175 mm，而国外压裂球的增量最小能做到1.588 mm，这就导致国内投球压裂滑套压裂层数受到更为严重的限制。

总体来说，国内压裂滑套在提高压裂层数和压裂效率上仍面临着严重挑战。从Halliborton的Rapid Frac到Slumberger的TAP再到Weatherford的I-ball压裂工具，可以看出水平井压裂正朝着多层数、智能化方向发展。在这方面，我国的水平井压裂技术还存在很大差距。

3结语

目前，油田用压裂滑套主要有2类：投球压裂滑套和连续油管+井下工具压裂滑套。投球压裂滑套可分为固定球座分段压裂滑套和可变球座分段压裂滑套。连续油管+井下工具压裂滑套可分为液控式和机械式。

油田所用投球式压裂滑套需要精确控制泵注液体体积，从而需要优化压裂工艺，实时监测井下压力。投球滑套要实现无级差压裂则需要采用可变径球座，消除井眼内径对投球数量的限制，从而消除对压裂级数的限制。

油田所用的连续油管+井下工具压裂需要在井下精确定位，Hallibruton公司采用了无线套管接箍定位器，减少了误差。虽然国内的连续油管辅助压裂应用广泛，但无线射频技术在井下应用困难，必须加大井下信息传输的研究，使压裂朝着智能化发展。连续油管+井下工具实现无级差压裂需要采用可变径工具，实现坐封，压裂地层。

无级差压裂技术应用广泛，同时也要提高有限级压裂的压裂效果，更好地改造储层，提高油田采收率。但就国内而言，无级差压裂技术不成熟，仍需借鉴国外先进技术，加大研发力度。

参考文献：

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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

中图分类号：TE934.203

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.019

作者简介：安伦(1990-)，男，四川阆中人，硕士研究生，主要研究方向：钻井机械，E-mail：648402357@qq.com。

基金项目：石油天然气装备教育部重点实验室建设项目(010861012)

收稿日期：①2015-09-17

文章编号：1001-3482(2016)02-0084-05