压裂滑套不限级设计方式研究现状与展望

曾明勇，周怡君，赵 伟

(中国石化西南油气分公司 石油工程技术研究院，四川 德阳 618000)

水平井分段压裂是非常规油气经济高效开发的重要手段[1-2]。多级滑套分段压裂作为水平井分段压裂的重要支撑，近年来在非常规油气开发中广泛推广应用。该技术实现了非常规油气的产能突破，为非常规油气压裂工程技术提质增效提供了强大支撑[3]。压裂滑套是多级滑套分段压裂的关键工具[4]。在非常规油气不断突破开发技术界限的工程实践中，以“大排量+大规模”水力压裂实现储层的体积改造技术对压裂滑套提出了更多的要求[5-6]，推动压裂滑套向着全通径、不限级、自动化、智能化等方向发展[7-8]。在尽可能减少井筒作业工序和时间的情况下，让压裂滑套能够实现更多分段级数，一直是高效压裂滑套研发追求的目标。本文系统性总结并展望了国内外压裂滑套不限级设计方式，对于压裂滑套的不限级设计研发具有重要的指导意义。

1 滑套不限级研究现状

鉴于非常规油气开发生产对滑套分段级数的迫切需求，世界主要油服公司、科研院所、高等院校对不限级数的滑套开展了深入地研究，形成了以井下开关工具组合、机械结构限位计数以及智能电控系统触发为主的滑套不限级设计方式。

1.1 井下开关工具组合

利用连续油管带井下开关工具组合实现不限级的滑套是一种压差滑套，通常与底部带封隔器的井下开关工具组合配合使用，通过液压驱动开启滑套。NCS Energy Services公司猫鼬式滑套[9](如图1)、Baker Hughes公司OptiPortTM滑套[10]均是通过连续油管下入特定的井下开关工具组合，到定位位置后坐封封隔器，环空加压开启滑套。这类滑套能在连续油管允许下入的长度范围内实现尽可能多的分段级数，但是其作业过程高度依赖连续油管入井长度和开关工具组合的精确定位，并且压裂过程中受到井筒内连续油管的影响，施工排量通常存在不同程度的限制。

图1 猫鼬式滑套及开启工具结构

1.2 机械结构限位计数

机械结构限位计数依靠弹性结构结合齿槽、键槽等特征结构，在滑套筒体轴向和周向上进行机械限位设计，或机械计数器设计。

Weatherford公司I-ball滑套[11](如图2)是利用弹性球笼结合滑套内筒轴向上的齿槽结构进行机械计数。通过在滑套内筒轴向设计特定数量的凹槽单元，当压裂球通过弹性球笼时，推动弹性球笼向前行进1个凹槽单元，直至到达设计计数后，压裂球将无法通过可收缩球座形成坐封，憋压开启滑套。

图2 I-ball压裂滑套结构

中国石化胜利石油工程公司采用类似原理，研发了计数式全通径压裂滑套[12](如图3)。通过在滑套内筒轴向设计不同数量的凹槽单元，实现当投入第n个压裂球时，在第n级形成坐封，憋压开启滑套。

图3 计数式全通径压裂滑套结构

中国石化石油工程技术研究院研制的等通径键槽式滑套[13](如图4)则是在滑套内筒周向上设置均匀分布的键槽结构，通过键槽结构的宽度变化实现分级设计。当开启工具上键的宽度小于滑套内筒上键槽的宽度时，开启工具顺利通过滑套；当开启工具上键的宽度大于滑套内筒上键槽的宽度时，开启工具无法通过滑套，键和键槽实现配合形成坐封，憋压开启滑套。

图4 等通径键槽式压裂滑套与开启工具结构

安东石油Step-Port无限级滑套(如图5)利用可收缩球座结合滑套内筒周向的计数轨道实现旋转计数器设计。当压裂球到达旋转计数器位置时，通过节流压差形成的推动力，推动旋转计数器工作，并使可收缩球座在计数轨道上滑动，直至到达设定次数后进入开启轨道，使压裂球与可收缩球座形成坐封，憋压开启滑套。

图5 Step-Port无限级滑套结构

机械计数方式对机械计数器的可靠性要求较高，并且各级滑套之间相互依赖、密切关联，如果某级滑套无法正常开启，将影响后续滑套正常开启；机械限位方式则单纯依靠特征结构的几何尺寸匹配，可以在有限的几何空间内设计足够的分级组合，但对合理几何尺寸的级差设计提出了较高的要求。实际上，任何机械结构均需要足够的几何空间，机械结构限位计数仅仅是一种理论上的不限级设计方式，但在具体实践中，其能达到的分级数量往往远超过绝大多数油气井压裂分段的需求。

1.3 智能电控系统触发

伴随现代电气工程技术高速发展，越来越多的现代先进技术被用于压裂滑套的研发设计，促进了压裂滑套技术智能化发展。TMK Completion公司Quantum投球触发式压裂滑套[14]采用电子计数器计数并实现触发开启，使得投入同一尺寸的压裂球能够触发开启不同设定计数的压裂滑套。Weatherford公司RFID压裂滑套[15]则是通过泵送2枚RFID标签，其中一枚延迟开启上层滑套，另一枚则关闭相邻下一层滑套。Halliburton公司新型Elect压裂滑套[16](如图6)通过统计压裂球中嵌入磁体的磁脉冲来计算出压裂球的数量，当设定数量的压裂球通过并切换套筒状态时，电动液压锁启动开启滑套。

图6 新型Elect压裂滑套

智能电控系统触发方式是真正意义上实现滑套的不限级设计，给未来滑套的进一步发展提供了全新的技术思路。然而，受井下高温、高压、复杂介质环境等恶劣条件影响，现阶段方式的可靠性难以得到充分保障，滑套在井下仍存在无法开启的风险。

2 滑套不限级设计展望

滑套是1个旋转筒体结构，具有径向、周向和轴向3个空间维度。以分3级设计为例：如图7a所示，以筒体直径D为分级的特征参数，每一级依次在径向上变化级差Δd，形成几何尺寸为d1、d2、d3的分级，显然径向尺寸的有限性使得分级数量受到限制，且严重影响滑套通径；如图7b所示，以周向角度θ作为分级的特征参数，每一级依次在周向上变化级差Δθ，形成几何尺寸为φ1、φ2、φ3的分级，圆周筒体结构面进一步增加了分级设计的几何空间，大幅增加了分级数量，且不会影响通径；如图7c所示，以轴向长度Z作为分级的特征参数，每一级依次在轴向上变化级差Δz，形成几何尺寸分别为z1、z2、z3的分级，轴向为分级设计提供了最大的几何空间，可以提供最大的分级数量，且不会影响通径。

图7 旋转筒体结构的3个空间维度分级设计示意图

鉴于井下开关工具组合方式的复杂性，以及现阶段智能电控系统触发方式的不稳定性，目前机械结构限位计数方式仍是实现滑套不限级设计的首要选择，其基本内涵是将滑套分级设计的空间维度转变到轴向或周向上。目前，常用做法是利用齿槽、键槽等特征结构在滑套轴向或周向上的尺寸变化、数量变化以及尺寸和数量组合编码来实现滑套的不限级设计。

2.1 特征结构尺寸限位设计方式

利用特征结构的尺寸限位进行滑套不限级设计，主要是通过“特征结构+尺寸限位+可溶投入式球座+可溶球”的形式，以特征结构在滑套轴向或周向上的尺寸变化作为限位分级的依据。该方案在滑套内筒设计有凹槽、键槽等结构，并利用球座上的凸齿、键结构等实现与滑套的匹配。如图8a所示，以轴向上设计具有凸齿的球座和具有凹槽的滑套组合为例，第1级滑套凹槽长度为x，与之匹配的凸齿长度同样为x，后续滑套依次变化级差长度为Δx，显然当凸齿长度大于凹槽长度时，凸齿与凹槽无法形成啮合，球座顺利通过滑套，当凸齿长度等于凹槽长度时，凸齿和凹槽啮合形成坐封，憋压开启滑套。如图8b所示，以周向上设计具有键的球座与具有键槽的滑套组合为例，第1级滑套键槽宽度为c，对应键的宽度为c+ε，键宽度略微大于键槽宽度ε以便于二者啮合，后续组合依次变化级差宽度为Δc(Δc>ε)，当键宽度小于键槽宽度时，键与键槽无法形成啮合，球座顺利通过滑套，当键宽度略微大于键槽宽度ε时，键与键槽啮合形成坐封，憋压开启滑套。

图8 利用特征结构的尺寸限位分级示意图

该方式原理可靠、结构简单，仅依靠轴向或周向上特征结构的几何尺寸变化来实现滑套的限位分级。然而，过大或过快的特征结构几何尺寸变化可能严重影响开启工具在管柱内的通过性，并影响开启工具与滑套的有效匹配，因此合理的尺寸级差设置显得尤为重要。

2.2 特征结构数量计数设计方式

利用特征结构的数量计数进行滑套不限级设计，主要是通过“特征结构+机械计数+弹性结构+可溶球”的形式，以特征结构在滑套轴向或周向上的数量变化作为计数设计基础。该方案在滑套内筒设计特定数量的凹槽、轨道等结构，结合弹性球笼、弹性卡爪、可收缩球座等弹性结构组成机械计数器，利用可溶球通过计数器时的节流压差驱动计数器工作。如图9a所示，机械计数器由弹性结构上的凸齿和滑套内筒上的凹槽组成，在轴向上利用凸齿在凹槽中滑动实现计数。以计数为3的滑套为例，每通过1个可溶球，具有凸齿的弹性结构就在可溶球的节流压差推动下向下滑动1个位置，到达设定计数后便无法再向下滑动，此时弹性结构收缩，并与可溶球形成坐封，憋压开启滑套。如图9b所示，机械计数器由弹性结构相连的滑块(图中黑色圆点)和滑套内筒上的轨道组成，在周向上利用滑块在轨道中滑动实现计数。以计数为3的滑套为例，每通过1个可溶球，计数器完成1个计数行程，节流压差推动滑块向右运动1条轨道，到达设定计数后滑块在最长的轨道中发生大位移运动，使得弹性结构收缩，并与可溶球形成坐封，憋压开启滑套。

图9 利用特征结构的数量计数分级示意图

该方式十分依靠机械计数器的弹性结构持续有效工作，在井下复杂恶劣条件下，其稳定性和可靠性受到极大挑战。并且，机械计数方式增加了各级滑套之间的相互依赖性和相互制约性，当其中任意滑套无法正常开启时，后续滑套正常开启也可能受到影响。

2.3 特征结构的尺寸和数量组合编码设计方式

利用特征结构的尺寸和数量组合编码进行滑套不限级设计，是对利用特征结构的尺寸限位设计方式的进一步发展，通过“特征结构+组合编码+可溶投入式球座+可溶球”的形式，以凸齿、凹槽等特征结构的数量和尺寸2个变量为编码参数，作为限位分级的基础。以轴向上设计具有凸齿的球座和具有凹槽的滑套组合为例，如图10a所示，对于滑套凹槽长度分别为x1和x2的组合，当对应的2个球座凸齿长度分别变化Δx1和Δx2后，凸齿与凹槽无法形成啮合，只有当凸齿和凹槽的几何尺寸和数量严格一一对应时，凸齿和凹槽啮合形成坐封，憋压开启滑套，确保了球座与滑套的匹配性。同理，如图10b所示，对于球座凸齿长度分别为x1和x2+Δx2的组合，当分别通过长度不匹配或者数量不匹配的滑套凹槽组合时，球座均能顺利通过滑套，确保了球座在各级滑套中的通过性。

图10 利用尺寸数量组合编码分级示意图

该方式利用特征结构的尺寸和数量双变量组合编码最大化，提高了分级数量，但组合编码设计相对复杂，其关键在于合理可靠的组合编码设计，以确保球座顺利通过各级滑套并与目标滑套实现唯一匹配。该方式避免了单纯依靠特征结构几何尺寸的变化带来的通过性影响，利用了投入式球座，减少预置弹性结构带来的可靠性风险，具有更高的可靠性和实用性。

3 结论

1) 鉴于压裂滑套的井下开关工具组合的复杂性，以及智能电控系统触发的不稳定性，现阶段机械结构限位计数是实现压裂滑套不限级设计的首要选择，其中利用特征结构的尺寸和数量的组合编码设计具有更高的可靠性和实用性。

2) 利用机械结构限位计数实现压裂滑套不限级设计的基本内涵是将压裂滑套分级设计的空间维度转变到轴向或周向上，并且主要是利用齿槽、键槽等特征结构的尺寸变化、数量变化以及尺寸和数量组合编码来实现。

3) 弹性球笼、弹性卡爪、可收缩球座、投入式球座等弹性结构是实现压裂滑套不限级设计的关键结构，稳定且有效的弹性结构设计是压裂滑套不限级设计的关键环节。