无限级套管滑套分段压裂工具研制与应用

张道鹏，谢 明，李 斌，张毅超，邹先雄，潘 勇

(中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司)

目前水平井裸眼完井分段压裂技术已在致密油气藏开发领域广泛应用，取得了较好效果。这种技术主要采用裸眼封隔器加投球滑套逐级投球打开滑套分段作业，分段级数有限。由于滑套球座内径尺寸影响，在后期产量下降后需要修井时，需要钻磨球座，费用高，风险大，给二次增产改造带来困难。

无限级套管滑套分段压裂技术是近几年发展起来的一种新型多级压裂技术，该技术是在钻井作业完成后，按储层地质分层(段)要求下入固井滑套。压裂施工前通过连续油管带滑套开启工具下入井底，校深定位后，封隔工具坐在滑套上，环空打压推开滑套，然后环空压裂。如果滑套打开不成功，可利用工具管柱自带喷射工具喷砂射孔后进行压裂作业。当第一层(段)施工结束后，上提连续油管解封封隔器，再次定位找准第二个滑套(施工层段)，并将封隔器坐在这个滑套上，并打开滑套，同时对前一层进行封隔，开始进行第二层(段)的施工。以此步骤完成所有层(段)施工[1]。这项技术成功的关键是与套管等通径的无限级滑套及其配套的开启工具管柱组合。

一、工具管柱结构及原理

1.完井管柱结构及原理

套管滑套分层(段)完井管柱结构(自下而上)：浮鞋+浮箍+套管+固井滑套1+套管+固井滑套2+套管+固井滑套3+套管+套管挂到井口[2]。见图1。

图1 套管固井滑套分层(段)压裂完井管柱结构示意图

无限级滑套是完井管柱的关键部件，其结构部件主要有上接头、止锁套、压裂套、剪钉、连接外套、内滑套、下接头等，见图2。其工作原理是通过滑套内滑套的移动控制压裂端口的开启或关闭。主要技术指标参数：外径185 mm；内径121.3 mm；密封压力70 MPa；开启压力10～16 MPa。

图2 无限级滑套结构示意图

2.压裂施工管柱结构及原理

滑套开启及压裂施工主要采用连续油管带开启工具作业。工具管柱组成(自上而下)：连续油管+卡瓦接头+丢手接头+上扶正器+喷射工具+压力平衡阀+卡瓦封隔器+滑套定位器+下扶正器+定压泄流筒(带引鞋)。见图3。

图3 压裂施工管柱结构示意图

压裂管柱主要工具作用原理及技术指标参数:

(1)卡瓦封隔器。其作用是将封隔器坐封卡在滑套内套上，通过打压打开滑套，同时实现压裂层段与已压裂层段间的层间封隔，防止层间干扰。工作原理是，通过连续油管下压载荷坐封、上提解封来实现多次重复坐封、解封和分层段压裂改造作业。主要技术参数：封隔压差70 MPa，外径117 mm。

(2)滑套定位器。该工具是接在卡瓦封隔器下的机械拉力定位装置,工作原理是利用定位器经过滑套内的定位机构产生的连续油管拉力的变化，以此确定工具串的深度。通过与完井套管串中滑套深度进行比对修正，进而准确找准滑套位置。主要技术参数：本体外径104 mm，内径40 mm。

(3)压力平衡阀。压力平衡阀主要用于卡瓦封隔器解封时，释放封隔器胶筒上下的压力差。也可在封隔器坐封及施工作业时，实现油套环空的反洗井冲砂。其工作原理为：压力平衡阀紧接封隔器上端，封隔器在下压坐封时，压力平衡阀能保证封隔器胶筒上下作业层间的封隔密封。某层作业完成需解封封隔器时，上提连续油管，启动压力平衡阀，使封隔器胶筒上、下层的压力差快速释放，达到平衡，使胶筒便于回缩，进而实现安全快速解封[3]。主要技术参数：密封承压(上)70 MPa，外径85 mm。

(4)水力喷射工具。该工具连接在压力平衡阀上端，其作用是当滑套开启不成功时，可以采用水力喷砂射孔，射开储层段进行压裂，提高压裂施工成功率。主要技术参数：本体外径94 mm，喷嘴Ø4.5 mm×4。

(5)定压泄流筒。该工具放在封隔器下部，与扶正器连接。其主要作用是提高首段滑套开启成功率，避免出现异常高压。工作原理是:当封隔器坐封于首层套管滑套内时，需要从上打压推动滑套内套下移打开。滑套内套的下移势必造成滑套下部压力增高，不利于滑套的打开。当下部压力增高到设定压力时，泄流筒打开，随即在滑套上下形成压差，当达到滑套开启压差后，滑套压裂端口打开。主要技术参数：启动压力50 MPa。

二、地面试验

无限级滑套工具主要进行了滑套开启动作性能试验、密封承压性能试验；开启工具的胶筒性能试验、坐封动作、坐封力、密封承压试验；滑套定位感应力试验等,累计试验32套(件)次。试验结果达到了设计要求,试验项目及试验过程结果见表1。

表1 主要工具动作性能试验情况简表

三、现场试验应用

1.苏5-X井基本情况

该井是鄂尔多斯伊陕斜坡构造的一口开发井,目的层为盒8、山1段,采用二开井身结构固井滑套+套管完井。完钻井深3 700 m，最大井斜16.32°，井底位移488.50 m, 井身结构见表2。根据该井综合测井解释成果，确定对苏5-X井分3段进行无限级套管滑套完井作业及分层改造。套管固井滑套位置和级数对照见表3。

表2 苏5-X井井身结构表

表3 套管滑套管柱主要工具设计参数表

2.施工流程

2.1 井眼准备

(1)原钻头通井。用Ø215.9 mm钻头通井至井底，通井管串结构：Ø215.9 mm PDC钻头+双母钻杆变扣接头+Ø127 mm加重钻杆3柱+Ø127 mm斜坡钻杆+Ø127 mm加重钻杆5柱+Ø127 mm斜坡钻杆。

(2)单铣柱通井。管柱组合：Ø215.9 mm PDC钻头+双母变扣+回压阀+Ø208 mm铣柱+钻杆串。通井到井底，无阻卡。

(3)双铣柱通井。管柱组合：Ø215.9 mm PDC钻头+双母变扣+回压阀+Ø208 mm铣柱+钻杆1根+Ø208 mm铣柱+钻杆串。通井到井底，无阻卡。

2.2 滑套入井及固井施工

(1)管柱结构(自下而上)：引鞋+套管2根+浮箍+套管若干根+滑套1+套管若干根+滑套2+套管若干根+滑套3+套管2根+定位校深套管短节+套管若干根+调深套管+双公短节+悬挂头+套补距。

(2)电测校深：当套管柱下到离井底较近位置时，采用测井仪，对滑套位置进行校深，使滑套喷砂口对准作业产层的中下部。校深完成后加配调深短套管，坐悬挂头，接方钻杆循环。

(3)固井施工：严格按照固井设计进行固井作业施工,要求碰压不漏,泄压候凝48 h后进行测井及试压，检测固井质量。

2.3 连续油管及压裂施工

(1)连续油管通洗井。管柱结构：梨型铣锥×0.3 m+马达×3.92 m+扶正器×1.2 m+马达头总成×1.03 m+连接头×0.23 m+Ø50.8 mm连续油管。洗井排量0.4-0.6 m3/min。

(2)下滑套开启工具管柱。管柱结构(自下而上)：引鞋×0.25 m+滑套定位器×0.36m+封隔器×1.24 m+压力平衡阀×0.78 m++喷射工具×0.37 m+安全丢手×0.51 m+连续油管接头×0.6 m+连续油管至井口。

(3)连续油管带开启工具下到第一个滑套位置以下,上提工具，依次通过三个滑套位置，根据定位感应力的显示，初步确定三个滑套深度。

(4)下放到第一个滑套位置以下，上提连续油管工具串，根据定位感应力的显示，找准第一级滑套位置，坐封封隔器，油管打压，打开第一级套管滑套。

(5)试挤验证滑套是否正常打开，正替基液，第一层压裂施工。

(6)上提连续油管解封封隔器。继续上提到第二级滑套位置附近，根据定位感应力的显示，找准第二级滑套位置，坐封封隔器，油管打压，打开第二级套管滑套。

(7)试挤验证滑套是否正常打开，第二层压裂施工。

(8)重复(6)、(7)步骤完成第三层施工。

(9)起出连续油管进行完井投产。

3.施工情况及效果

该井套管滑套管柱入井顺利，固井碰压正常，井筒试压合格。连续油管带工具一次入井顺利完成三层分层压裂。施工中，滑套定位准确明显，打开灵活可靠，封隔器层间密封稳定，转层快速。累计注入地层总液量833.9 m3，平均单层入井液量278 m3，累计加砂量100 m3，单层最大施工排量6.0 m3/min，单层最大加砂量40 m3。滑套定位时，连续油管悬重由158 kN↑178 kN↓160 kN。滑套打开时，连续油管压缩状态悬重由40 kN↑60 kN。滑套打开压力25～33 MPa。压裂施工压力(套压)27～39 MPa，油压25～50 MPa,最快施工转层时间13 min(如图4所示。)。压裂后测试产量1.47×104 m3/d。

图4 苏5-X井第二级滑套打开及加砂压裂施工曲线图

四、结论与认识

(1)无限级套管滑套分段压裂工具在苏里格的试验应用表明,滑套完井管柱入井顺利，滑套定位准确明显，开启灵活，封隔工具坐封牢固，密封可靠，作业效率高，满足了苏里格致密砂岩气藏分层(段)作业改造需要。该工具的自主研制成功为致密砂岩气等非常规气藏提供了一 种新的有效改造手段。

(2)该工具技术的成功实施主要体现在以下方面:①前期评层选井，地质工程设计，井眼质量控制是基础；②固井作业中滑套顺利入井、测井校深定位产层、固井施工准确碰压是前提；③压裂施工前，严格的通洗井作业是保障；④压裂施工中，连续油管带工具找准滑套位置、坐封可靠、打开滑套是关键。

(3)该工具及施工工艺技术具有压裂改造针对性强，压裂级数不受限制，作业后井通全通径，方便后期作业的特点[4-5]。尽管该工艺需连续油管配合作业，但也能实现较大排量和规模的压裂改造。建议下步提高无限级套管滑套的压力等级，在中浅层页岩气井中试验应用。