套管水平井全通径分段压裂工具新进展

魏辽，秦金立，朱玉杰，薛占峰

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

套管水平井全通径分段压裂工具新进展

魏辽，秦金立，朱玉杰，薛占峰

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

为了满足页岩气、低渗透油气、煤层气等非常规油气储层的高效和低成本开发需求，国内外诸多机构都开展了水平井全通径无限级分段压裂技术攻关研究，已经形成完善的工具系统及配套现场施工工艺。文中介绍了国内外目前针对水平井开发非常规储层的新兴全通径分段压裂技术原理、关键工具组成与结构特点以及现场应用效果，并结合国内非常规油气藏开发需求，剖析了下一步重点关键技术攻关研究方向，主要从创新工具结构设计、研制新型工程材料、完善工具性能测试等方面着手，突破技术研发和应用瓶颈，以尽快实现国内套管井全通径分段压裂工具自主化，为油气田高效开发提供技术支撑。

套管完井；全通径；无限级压裂；分段压裂

近年来，国内各大油气公司均加快了针对页岩气、低渗透油气、煤层气等非常规油气储层的开发速度，中国石化涪陵页岩气田、中国石油四川长宁-威远国家级页岩气示范区产能于2015年底分别达到5.0×109m3和2.6×109m3。非常规储层改造一般依托高压、大排量、大砂量压裂施工，以达到储层改造体积最大、提高单井产量的目的［1-3］。因此，非常规油气资源的高效开发迫切需要配套的压裂工程技术作支撑。水平井采用φ139.7 mm规格油层套管，配合全通径分段压裂工具，开展大规模压裂施工［4-5］，具有较大的技术优势和较好的应用前景。本文介绍了国内外针对水平井开发非常规储层的新兴全通径分段压裂技术原理、工具组成与结构特点以及现场应用效果，以供国内油田开发及科研参考。

1　I-ball无限级压裂滑套

I-ball滑套压裂技术是Weatherford公司的专利技术，与常规的逐级投球式滑套憋压球不同，在该滑套内，同尺寸球可打开的每一级滑套内径相同，同时对应的憋压球尺寸相同、无级差，而且该技术不同于一球打开多级滑套（簇式压裂）技术，在施工过程中可实现打开一级、压裂一级［6-7］。

关键的压裂滑套结构如图1所示，主要由上接头、外壳、内套、计数器、捕球座、限位环、弹簧、下接头和憋压球等组成。其中计数器是滑套结构的关键部件，其双弹性爪移位结构设计加上同尺寸球逐级打开滑套流程，实现了压裂后捕球座的复位，进而实现了管柱内的全通径。通过增减滑套外壳凹槽的数量，理论上可实现同尺寸球打开无限级数滑套，且压裂结束后可实现滑套内全通径，无需钻除作业，缩短了施工周期，节约了成本。

图1　Weatherford公司的I-ball滑套结构

压裂施工时，每一级滑套的计数器在外壳上的位置不同，憋压球每通过一级滑套，计数器向下移动一次，直至憋压球到达对应的打开滑套位置。

当憋压球到达滑套时，坐入计数器收缩的上弹性爪位置（见图2a），并推动计数器下行，同时下弹性爪收缩，上弹性爪张开，憋压球通过并坐入下弹性爪（见图2b）。

图2　I-ball滑套工作原理示意

继续推动计数器下行，同时上弹性爪收缩，下弹性爪张开，憋压球通过滑套。当憋压球到达最后一级滑套位置时，憋压球再次推动计数器下行并与内套贴合，当憋压至20 MPa时剪断剪钉，内套与计数器同时下行打开滑套。

在滑套打开过程中，内套推动捕球座下行，捕球座下端弹性爪收缩形成球座。当滑套完全打开后，计数器的上下弹性爪均张开至凹槽内，同时憋压球下行至捕球座形成的球座内（见图2c）。

压裂结束后，进行返排作业，在弹簧的作用下，捕球座上行复位，捕球座弹性爪张开（见图2d）。最后，球体返排出井口，从而实现管柱内全通径。

2　猫鼬式无限级压裂滑套

猫鼬式无限级滑套分段压裂技术最初由NCS EnergyServices公司于2007年推出，是一项全新的连续油管压裂工艺技术。目前，该技术历经演化和改进，国外多家服务公司如ThruTubingSolutions（简称TTS公司）、Baker Hughes公司、Packer Plus公司等均掌握了该项技术，并已经在北美各油气田开展了大规模应用［8-10］。

该技术的管柱结构主要包括随套管入井的平衡滑套和连续油管管柱总成，其中连续油管管柱总成包括机械式接箍定位器、底部封隔器、循环阀、喷枪、扶正器、液压丢手短节、转换接头等（见图3）。

该系统工作原理为：根据测井资料确定压裂层位后，将预置滑套连同套管一起入井并实施常规固井；地面通过连续油管将该工具管柱总成下至预置滑套位置（由机械式接箍定位器和连续油管定位），通过上提、下放管柱将底部封隔器坐封；环空加压后将滑套打开，通过地面井口装置从油套环空进行加砂压裂；待压裂施工结束后，上提管柱解封封隔器，并将管柱拖至下层进行施工。

目前，NCS Energy Services公司针对φ114.3 mm 和φ139.7 mm两种规格套管研制出配套的无限级分段压裂工具。自问世以来，该工具已成功应用于3 500多口井，结果表明，该项技术已完全成熟，并在矿场实际应用中取得了较好的效果。

图3　NCS Energy Services公司猫鼬式无限级压裂管柱结构

3　等通径键槽式压裂滑套

中国石化工程院于2014年研制出具有完全自主知识产权的水平井全通径分段压裂工具——等通径键槽式滑套，该设备主要包括键槽式滑套和专用胶塞。滑套主要由上接头、外壳、内套、键槽结构、卡簧和下接头组成（见图4）。

内套内部设有均匀分布的键槽结构，且键槽结构的上下方均为斜面，以便起到导向作用。内套上、下两端设有滑套开关定位槽，用于下入滑套开关工具时进行开关操作。

滑套专用胶塞主要由导向头、胶碗和导向块组成，导向头和胶碗主要用于专用胶塞的扶正，并且利于专用胶塞的泵送到位及返排。导向块上设有均布的键，键两端均设有倒角，利于导入滑套键槽内。

滑套专用胶塞周向上均布的键与对应滑套内部的键槽配合，实现滑套的打开操作。每一级滑套的内径相同，但滑套的键槽宽度不同，相应的每级滑套配套的专用胶塞的键宽也不同，一个专用胶塞只能对应着打开一个分段压裂滑套，且能穿过上一级滑套。

现场施工时，根据油气藏产层情况，确定滑套安放位置，然后，将多个滑套与套管管柱一趟下入井内。在井口投入滑套专用胶塞，通过泵送使其到达对应的压裂滑套位置。该专用胶塞在到达对应滑套位置以前，均能通过上一级滑套。被泵送到位后，专用胶塞的键与滑套上的键槽结构配合，实现憋压。当压力达到一定值时，滑套打开，内套下移，压裂孔开启，开始进行压裂施工。按照同样的方式可以完成其余地层的压裂。压裂施工结束后，在地层压力下，所有滑套专用胶塞均返排出井口。

等通径键槽式滑套通过泵送对应的专用胶塞憋压打开，压裂结束后可实现管柱内全通径，无需进行钻除作业，具有结构简单、快速压裂、施工周期短等优点，可广泛应用于各种油气井的分段压裂改造作业。

图4　等通径键槽式滑套

4　可溶球座式压裂桥塞

Schlumberger公司于2014年底推出了储层改造领域的一项新技术——Infinity可溶球座式桥塞压裂技术。该项技术设备主要包括预置套管管柱上的坐封短节和ELEMENTAL可溶解分体式球座2部分。分体式球座由4瓣组成，通过特殊的支撑架将4瓣球座连接、支撑，并与送入坐封工具相连。入井时，分瓣式球座外径远小于坐封短节最小内径。

与常规泵送桥塞相比，该项技术具有较大优势。主要体现在：1）结构小巧，下入性能好，避免下入过程中的遇阻风险；2）通体可溶解，压裂后无需钻塞即可实现管柱全通径；3）全金属密封材料，耐温级别达到170

℃以上。具体参数指标见表1。

表1　可溶球座式桥塞参数

现场施工时，坐封短节随套管下入井内并实施常规固井，分体式球座通过连接坐封及射孔一体化工具下入井内，当管串达到坐封短节处时，分体式球座组合成一体并与坐封短节配合，最后自地面投入可溶解憋压球坐入球座而形成封隔，并实施该层段压裂（见图5）。压裂结束后，管柱内的球座、憋压球均可自行溶解形成全通径。

图5　可溶球座式桥塞压裂工具示意

5　关键技术攻关方向

目前，水平井全通径无限级分段压裂技术属于新兴技术，核心技术全部掌握在国外公司手中。建议国内相关研究单位，通过分析各项技术在目的区块中的适应性，有针对性地进行研究攻关，尽快研制出具有自主知识产权的国产全通径无限级压裂工具。关键攻关方向如下：

1）I-ball无限级滑套配套计数短节疲劳寿命及可靠性决定该技术整体应用的安全性。如果中途某一计数短节出现计数错误或者无法正常移位，势必影响投球及滑套打开等相关作业；因此，需要优选具有较好的弹性恢复性、疲劳寿命以及移位载荷稳定性的材料加工计数短节，而且还需要进行工具表面镀膜、优化计数短节、外壳及内套流道，避免井内钻井液、水泥浆、压裂液沉砂以及液固两相流体冲蚀作用等对计数移动造成影响［11-12］。

2）猫鼬式无限级滑套配套的连续油管管柱总成是该技术应用成功的关键。为了使管柱入井后能成功打开滑套，应重点研究可重复坐封解封封隔器定位机构、锚定机构、换向机构及封压机构。针对目前页岩气水平井动辄20～30段的压裂需求，须通过提高接箍定位器弹性复位装置载荷稳定性、封隔器锚定卡瓦高承载和重复坐挂性能，以及优化封隔器结构、研制高性能胶筒材料，确保封压70 MPa以上，耐温达到150℃，并可以重复使用10次以上。

3）等通径键槽式滑套的关键技术在于配套胶塞结构设计及性能评价。根据压裂需求，胶塞泵送时排量应在1 m3/min左右，并且承受后期压裂施工时施加于胶塞承压机构上约50 MPa的压差，胶塞需具备较好的泵送和返排性能；因此，需要重点研究胶碗结构形态、橡胶材料，尤其是对泵送和返排速度、套管及滑套内通过性能以及胶塞与配套滑套承压性能等。

4）可溶球座式桥塞应重点进行可溶金属材料研发，开展金属溶解速率可控性研究。材料本身应具备较高的屈服强度和抗拉强度，承受压裂施工时50 MPa以上的压差，并在复杂的井内液体环境中实现快速溶解。其中，材料配方及制备工艺应可作为材料研制的关键攻关方向。

6　结束语

近年来，针对页岩气、低渗透油气、煤层气等非常规油气储层，国内外开展了水平井全通径分段压裂工具的研究与试验，对于油气田增产增效和高效建产具有明显的技术优势。结合该技术在国外应用情况，需要进一步开展全通径无限级分段压裂技术的先导试验。这一方面有助于进一步降低非常规油气储层开发成本，另一方面更有利于提高单井产能，降低建产后期维护费用和风险，尽快形成具有自主知识产权的创新技术。

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（编辑高学民）

New development of full-bore and unlimited multistage fracturing tools for cased hole horizontal well

WEI Liao，QIN Jinli，ZHU Yujie，XUE Zhanfeng
（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

In order to meet the high efficiency，low cost development for shale gas，low permeability oil and gas，coal-bed methane，and other unconventional resources，more and more domestic and foreign institutions are carrying out full-bore and unlimited multistage fracturing technology research for horizontal wells，which have formed a complete set of tools and supporting onsite construction technology.This paper describes the emerging domestic and international full-bore principle of staged fracturing technology，the key tool composition and structural characteristics，and field application for horizontal well in unconventional reservoirs.Considering the domestic unconventional reservoir development needs，focus on the next step research of key technologies was analyzed.From innovative tool design，development of new engineering materials，and improving other aspects of performance testing tools，it is very urgent to make full-bore and unlimited multistage fracturing tools by ourselves，which will provide technical support for efficient oil field development and capacity building.

cased hole completion；full-bore；unlimited fracturing；multistage fracturing

中国石化科技部攻关项目“拖动式无限级滑套分段压裂工具研制”（P15006）

TE357.1

A

10.6056/dkyqt201602026

2015-11-28；改回日期：2016-02-07。

魏辽，男，1984年生，工程师，2007年本科毕业于中国石油大学（华东）机械设计制造及其自动化专业，2010年获北京化工大学机械设计及理论专业硕士学位，现主要从事钻完井井下工具研发工作。E-mail：weiliao.sripe@sinopec.com。

引用格式：魏辽，秦金立，朱玉杰，等.套管水平井全通径分段压裂工具新进展［J］.断块油气田，2016，23（2）：248-251. WEI Liao，QIN Jinli，ZHU Yujie，et al.New development of full-bore and unlimited multistage fracturing tools for cased hole horizontal well ［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：248-251.