新型水平井可开关固井压裂滑套研制*

关皓纶 沈 明 曹 嘉

(1.中国石油集团工程技术研究院有限公司 2.中国石油大学(北京)石油工程学院 3.川庆钻探工程有限公司长庆固井公司 4.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院)

0 引 言

近年来，水平井分段压裂完井技术已经广泛应用于国内外页岩油及页岩气等非常规油气藏的高效开发[1-3]，成为储层增产改造的关键手段。水平井分段压裂完井技术主要有裸眼封隔器分段压裂技术、固井滑套分段压裂技术、水力喷射分段压裂技术及桥塞分段压裂技术等[4-5]。

固井滑套分段压裂完井技术是指在钻井作业完成后，根据地质层位信息在套管内安装多级压裂滑套并一趟下入井内，各级滑套抵达目的层后实施固井[6]。压裂作业时，利用液压先打开首级趾端滑套，再逐级开启后续滑套，使井眼与储层连通，实现压裂增产改造[7-8]。该技术适用于固井后的定点压裂，无需射孔，改造针对性强；固井完井管柱一体化，地面施工压力低，操作可靠[9-11]，相比于其他套管内压裂完井技术具有明显的优势，在现场应用中展现出了巨大的经济效益和技术优势。

固井压裂滑套是该技术中的关键工具。现有各类滑套产品主要分为投球憋压开启式、飞镖憋压开启式、机械工具开关式、液压封隔开启式和电磁智能开启式等[12]。其中，机械工具开关式固井压裂滑套不仅能在固井后对油气藏进行高效重复压裂增产改造，还能在开采后期进行选择性生产控制，关闭枯竭井段或出水层段[13]，满足未来压裂工艺高效化和智能化的要求[14]，成为近年来国内外先进智能压裂技术的引导者。

机械工具开关式滑套通常需要使用配套的液控机械开关工具对滑套进行开关。固井后，在压裂施工前，利用油管将机械开关工具下入到滑套位置，通过向管柱内加压推动锁块向两侧撑出外凸，与滑套的台肩配合再上提下放管柱开关滑套[15-17]。但现有机械工具开关式滑套存在固井后井下的滑套及工具难以精确定位的问题，影响了滑套开关的成功率，降低了施工效率[18-19]。

为解决现存不足，笔者结合水平井现场固井压裂工艺及各类固井压裂滑套的结构特点，研制了新型水平井可开关固井压裂滑套，并对关键部件进行了强度分析，加工制造出原理样机，开展了室内试验。研究结果可为水平井固井压裂滑套的设计与研究提供参考。

1 技术分析

1.1 结构

新型水平井可开关固井压裂滑套由固井压裂滑套和机械开关工具两部分组成。

固井压裂滑套结构如图1所示。初始条件下，固井压裂滑套处于关闭状态，内滑套位于滑套内部将压裂孔封住，实施固井作业后需要开启滑套时，下入机械开关工具将内滑套上提直至固定圈卡在定位槽中，完成滑套的开启。

机械开关工具结构如图2所示。

1—上接头;2—锥端紧钉螺钉;3—挡圈及O形圈;4—固定圈;5—内滑套;6—本体;7—下接头。图1 固井压裂滑套结构示意图Fig.1 Structure of cementing and fracturing sliding sleeve

1—扶正机构;2—上连接头;3—大弹簧;4—缸套;5—推环;6—夹块;7—定位杆及小弹簧;8—连接引鞋。图2 机械开关工具结构示意图Fig.2 Structure of mechanical switch tool

1.2 工作原理

新型水平井可开关固井压裂滑套通过上、下接头与套管串相连作为套管串的一部分下入井中，完成常规固井作业后进行压裂施工时，将机械开关工具下入井筒内对应内滑套位置，通过向机械开关工具加压，使开关工具上的夹块与内滑套相互咬合，上提或下放油管带动机械开关工具移动，完成固井压裂滑套的开启或关闭。其工作原理示意图如图3所示。

图3 新型水平井可开关固井压裂滑套工作原理示意图Fig.3 Working principle of the new switchable cementing and fracturing sliding sleeve

1.3 主要技术参数

新型水平井可开关固井压裂滑套中的固井压裂滑套的最大外径为180 mm，最小内径为115 mm，总长度为1 372 mm，最高工作温度为120 ℃，最大工作压力为70 MPa。

机械开关工具在夹块伸出状态下的最大外径为120 mm，夹块收回状态下的最大外径为115 mm，总长度为1 210 mm，最高工作温度为120 ℃，启动压力为2.5 MPa，最大工作压力为120 MPa。

1.4 技术特点

(1)滑套可开关，可进行分层开采和分层注水，充分释放井底能源，后期可以进行找、堵水作业。

(2)滑套无级差，井筒全通径，可满足大排量、大砂量和低施工压力的压裂工艺要求。

(3)机械开关工具与滑套配合时可通过上提或下放工具管柱完成滑套开关，可忽略附着在滑套上的固井水泥浆对工具开关性能的影响。

(4)采用双液流设计，使得夹块伸出和收缩时两侧受力均匀，开关可靠性高。

(5)机械开关工具的夹块只有在与内滑套位置正确对应的情况下才能传递液压启动开关工具，开关成功率高，性能可靠。

2 关键技术

2.1 内滑套定位机构设计

固井压裂滑套在使用过程中需要多次打开关闭，为了防止在滑套打开或关闭后受到井内流体冲刷和后续作业管柱刮擦而造成内滑套错位或提前开关，影响固井和压裂作业的正常进行，设计了内滑套定位机构，使内滑套在施工过程中到达打开或关闭位置时有效锁紧限位，保持打开或关闭状态。在施工结束后还可以根据需要，通过机械开关工具对内滑套施加一定的轴向力实现解锁，多次改变内滑套的位置。

常见的内滑套定位机构有卡簧式定位机构和弹性爪定位机构[20]，本设计中的内滑套定位机构设计为与卡簧式定位机构类似的较为简单的结构，如图4所示。

图4 内滑套定位机构Fig.4 Positioning structure of inner sliding sleeve

定位机构通过在内滑套上预置固定圈与滑套本体内的卡槽配合实现锁紧限位。固定圈自然状态下的内径略大于内滑套外径，装入滑套本体中后，固定圈中间开口受压变小，刚好卡入卡槽中锁紧固定。同时，在机械开关工具带动内滑套移动经过解锁限位卡槽时，大钩载荷会发生规律性的突变，据此也可以通过滑套开关过程中地面显示的相关数据，对固井压裂滑套开关的状态进行提示和判断。

2.2 开关工具卡瓦式夹块设计

使用机械开关工具开关滑套，最关键的部分就是开关工具上与内滑套接触配合的部件。本设计创新地将机械开关工具上的传统凸块改进成类似卡瓦式的夹块，夹块上设置有多个锯齿状凸齿，同时在内滑套内也设置了多个同等角度尺寸形状的凸齿，如图5和图6所示。依靠多个凸齿之间的咬合配合，通过上提、下放机械开关工具对内滑套进行开启和关闭。

图5 开关工具夹块凸齿与内滑套凸齿对应Fig.5 The convex teeth of the clamping block of the switch tool correspond to the convex teeth of the inner sliding sleeve

图6 开关工具夹块凸齿与内滑套凸齿咬合Fig.6 The convex teeth of the clamping block of the switch tool engage with the convex teeth of the inner sliding sleeve

采用该卡瓦式夹块，解决了机械开关工具上凸块与内滑套凹槽精准定位的问题，即使上下凸齿间稍有错位，上提下放管柱，凸齿间错位摩擦后等尺寸的凸齿也会逐渐咬合，带动内滑套移动，完成开关滑套动作。

另外，即使内滑套内的凹槽被固井水泥浆一定程度地覆盖填充，开关工具的夹块伸出后无法与内滑套内的每个凹槽都精准咬合，也可以采用加大工具管柱内液压，依靠增大夹块与内滑套之间的摩擦力使内滑套在管内移动，达成预期开关目的。

2.3 开关工具液体流道设计

通过对机械开关工具内部液体流道的优化设计，在上提下放的过程中不必加压，夹块处于自然收回的状态，只需在到达目标位置加压启动即可，节能便捷且降低了工具遇卡风险。

为了更好地实现夹块与内滑套的定位配合，通过对工具整体尺寸的计算设定，实现了只有在夹块与内滑套正确配位的情况下，机械开关工具才能完成憋压，使夹块伸出与内滑套咬合。当夹块与内滑套错位时，管内无法实现密封，开关工具无法启动，如图7所示。

图7 错位情况下的液体流动方向Fig.7 Liquid flow direction in case of misalignment

如此设定机械开关工具的液体流道，增加了开关工具下入位置的容错率，提高了工具的可靠性和滑套开关的成功率。

2.4 开关工具扶正机构设计

为了防止机械开关工具在下入过程中上连接头的双层密封圈被粗糙的套管内壁磨损失效，在机械开关工具的上连接头处设置了类似套管扶正器结构的扶正机构(见图8)，其外径大于上连接头密封圈的外径，在工具下入的过程中扶正片与套管内壁优先接触，保护密封圈，同时也可以提高机械开关工具在固井压裂滑套中的居中度。

图8 开关工具扶正机构Fig.8 Centralizer for switch tool

3 结构参数分析

新型水平井可开关固井压裂滑套在井下承受着较大的内压和外压，此时其结构可靠性起着至关重要的作用[21]。固井压裂滑套的内外壁及内滑套需要保证在高压状态下不发生变形损坏，影响工具的正常下入和运行。为此，对固井压裂滑套及内滑套的结构可靠性进行了有限元分析。

3.1 有限元分析模型建立

为提高有限元计算分析速度，在SolidWorks中对三维模型进行适当简化，去除原有模型中复杂且不影响仿真结果的细微结构，将模型转化为igs格式文件导入至ABAQUS软件中进行有限元分析。

固井压裂滑套和内滑套的材料均为35CrMo，设定材料的弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，均为各向同性材料。

3.2 定义单元及网格划分

模型网格均采用六面体结构网格，单元类型均为C3D8R的八节点线性六面体单元，全局布种后划分网格，上接头网格单元数为240 916，滑套本体网格单元数为102 546，下接头网格单元数为58 968，内滑套整体网格单元数为143 400，网格划分结果如图9所示。

图9 网格划分结果图Fig.9 Mesh division results

3.3 载荷及边界条件设定

依据压裂作业时的压力条件设定模型的载荷。设定周向均布内压载荷为120 MPa，周向均布外压载荷为70 MPa。

依据实际使用情况，对固井压裂滑套和内滑套的外表面施加位移约束，径向完全固定，允许接触表面处沿轴向发生位移。具体设定如图10和图11所示。

图10 固井压裂滑套载荷及边界条件设定Fig.10 Load and boundary conditions setting of cementing and fracturing sliding sleeve

图11 内滑套载荷及边界条件设定Fig.11 Load and boundary conditions setting of inner sliding sleeve

3.4 结果及分析

经过有限元分析，得到固井压裂滑套的应力云图和位移云图，分别如图12和图13所示。内滑套的应力云图和位移云图分别如图14和图15所示。

图12 固井压裂滑套应力云图Fig.12 Cloud chart of stress on cementing and fracturing sliding sleeve

图13 固井压裂滑套位移云图Fig.13 Cloud chart of displacement of cementing and fracturing sliding sleeve

图14 内滑套应力云图Fig.14 Stress cloud chart of inner sliding sleeve

图15 内滑套位移云图Fig.15 Displacement cloud chart of inner sliding sleeve

由图12和图13可知，固井压裂滑套的最大等效应力为808.4 MPa，最大变形量为0.280 3 mm，等效应力和变形量的最大值均出现在滑套本体与上接头的连接处，受力变形程度符合技术要求。

由图14和图15可知，内滑套的最大等效应力为130.6 MPa，最大变形量为0.012 5 mm，等效应力和变形量的最大值均出现在内滑套的卡槽位置，不会对其他零部件造成影响。

综上所述，固井压裂滑套和内滑套的最大等效应力的值均小于材料的屈服强度，最大变形在尺寸公差范围内，在极端工况下仍处在弹性变形阶段，强度可靠。

4 室内试验

4.1 整体密封性能测试试验

为测试新型水平井可开关固井压裂滑套在开启前的整体密封性能，将装配好的固井压裂滑套按照试验要求安装于锁紧装置中并向管柱内灌满清水，连接好试压管线及液压泵(最大工作压力为160 MPa)。随后将整体密封试验装置置于安全区域内，按照30、50、60和70 MPa逐级提高管柱内压力，并在达到70 MPa后稳压15 min，观察压力表变化。

经过5次试验后证明，该固井压裂滑套在未开启状态下无泄漏，密封性能良好，能够满足固井及压裂施工的基本要求，可随时开泵循环且对循环压力无限制。

4.2 机械开关工具启动压力测试试验

为测定机械开关工具在启动时管内的压力，在对上连接头的循环孔密封后，连接好机械开关工具与试压管线及液压泵(最大工作压力16 MPa)。随后在安全区域内向机械开关工具内逐渐加压，观察测得机械开关工具在管内压力1.5 MPa的条件下，夹块两侧的缸套开始向内移动挤压夹块，当管内压力达到2.5 MPa时，工具的夹块被完全推挤出，机械开关工具完全启动，挤出的夹块外径可达到119.4 mm左右，符合预期要求。

4.3 滑套开关可靠性测试试验

为验证新型水平井固井压裂滑套能够被机械开关工具安全可靠地开启关闭，将固井压裂滑套装配固定，连接好机械开关工具与试压管线及液压泵(最大工作压力16 MPa)。利用大钩和吊绳将机械开关工具下入到固井压裂滑套内，向工具管柱内缓慢加压至6 MPa，保压并缓慢提升大钩使内滑套稳定上移直至移动到位，压裂孔打开。滑套开启完成后，停泵泄压，提升大钩将机械开关工具提出滑套。采用类似手段再将内滑套下移关闭压裂孔，重复进行10组试验后，再对固井压裂滑套的整体密封性能进行测试。

试验结果表明，固井压裂滑套内下入机械开关工具后，向工具管柱内持续加压6～7 MPa，夹块能够正常伸出咬合带动内滑套完成开关动作。10组试验中，滑套的开关成功率为100%，压裂孔均能完全开启或关闭。经过10组试验后固井压裂滑套的整体密封性能依旧良好，整套工具关键零件无损坏。

综上所述，新型水平井可开关固井压裂滑套装配简单方便，机械开关工具与滑套对位准确，整体性能安全可靠，能够满足现场施工需求。

5 结 论

(1)根据固井及压裂施工工艺，研制了一种适用于水平井的新型可开关固井压裂滑套，该滑套可以实现在机械开关工具与滑套配合不十分精确的条件下也能通过上提和下放工具管柱完成滑套的开关，性能可靠，大大提高了井下固井压裂滑套开关的成功率。

(2)对固井压裂滑套及机械开关工具的主要零部件进行了结构参数分析，建立了力学模型并通过有限元模拟分析验证了工具结构的可行性。

(3)室内试验结果表明，新型水平井可开关固井压裂滑套装配简单方便，机械开关工具能够在液压条件下启动并将固井压裂滑套开启或关闭，整体性能安全可靠，能够对水平井固井后进行高效的压裂增产改造。