分段压裂固井滑套研制应用现状及展望

　　摘要：水平井分段压裂完井技术的快速发展推动了油气开发向更大的规模和更广的范围发展，将非常规油气开发推向了更高的水平。以前常采用的水平井裸眼分段压裂完井技术存在井壁稳定性差、完井风险大等问题且分段级数有限，采用固井套管分段压裂完井技术可以对砂岩泥岩储层交错的非常规油气藏储层进行更加安全、高效的压裂增产改造。为了让分段压裂固井滑套更好地满足现场井下固井及大排量体积压裂施工的需求，优化配套施工方案的制定，本文介绍了目前固井滑套分段压裂完井技术的发展现状，并对固井套管压裂完井中使用的固井压裂趾端滑套及固井压裂滑套在施工现场的应用情况进行分析，通过对各类滑套中具有代表性的产品进行原理、特点的对比分析，得到了未来固井滑套分段压裂完井技术的发展方向及分段压裂固井滑套的改进建议。

　　关键词：水平井;非常规油气;固井;分段压裂;压裂滑套

　　0引言

　　随着油气需求的增加和勘探工作的逐步深入，油气藏资源的勘探开发逐渐转向页岩油、页岩气、致密砂岩油等非常规油气藏，对储层的改造提出了新挑战。水平井分段压裂改造已经逐渐成为非常规油气藏高效开发的重要手段[1~2]。经过十多年的发展，水平井分段压裂完井技术已经在国内外现场得到了广泛的应用和推广，成为了储层增产改造的关键手段。

　　目前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、桥塞射孔分段压裂技术等[3]。国外压裂技术在高效化、智能化和无限级方面较为领先，国内较国外相比仍存在一定的差距[4]。近期常用的水平井裸眼分段压裂完井技术存在井壁稳定性差、完井风险大的问题且分段级数有限，对岩性交错的非常规油气藏储层，更适合采用固井套管压裂完井技术进行经济、高效的增产改造。因此，研制安全、可靠、高效的固井压裂滑套进行分段压裂完井，对提升非常规油气储层开发改造效率、降低施工成本有重要意义。

　　石油论文范例：石油化工自动化控制仪表常见故障及维修

　　本文将对现有固井滑套分段压裂完井技术及相关配套工具的研制应用现状进行对比分析，以讨论未来技术及工具的改进和发展方向，相关结论可为固井滑套分段压裂完井技术的发展及固井压裂滑套工具的改进设计提供参考。1固井滑套分段压裂完井技术采用固井套管进行压裂完井的技术主要有水力泵送桥塞射孔分段压裂技术、连续管拖动封隔器分段压裂技术、固井滑套分段压裂技术等[5]。其中，固井滑套分段压裂技术常用于低渗油气藏、页岩气、煤层气等非常规油气藏的增产改造。

　　1.1技术原理固井滑套分段压裂完井技术是指在钻井作业完成后，根据油气藏的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，各级滑套抵达对应目的层后实施常规固井施工[6]。压裂作业时，利用液压先打开第一级滑套(固井压裂趾端滑套)，再通过特定的方式逐级开启后续滑套，实现井眼与储层的连通，完成多产层分段压裂，最终实现油气储层改造的压裂增产改造技术。

　　1.2技术特点固井滑套分段压裂完井技术采用固井方式完井，对井眼稳定性、规则性要求低，能够满足储层钻井难度大的复杂井况要求[7];固井后，井壁稳定性好，井控风险小，可满足后期施工要求;可对储层进行定点压裂，改造针对性强;采用固完井压裂一体化管柱，压裂作业连续，无需额外射孔;套管作为压裂管柱，管内摩阻小，地面施工压力低[8];操作可靠且提高了施工效率，成本费用低。因此，固井滑套分段压裂完井技术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巨大的经济效益和技术优势。固井压裂趾端滑套和固井压裂滑套是该技术中的关键工具。开展固井压裂趾端滑套和固井压裂滑套的研发工作对于提升现场压裂完井作业的工作效率、降低施工成本具有重要意义。

　　2固井压裂趾端滑套研制现状

　　长水平段水平井使用连续油管进行首段射孔作业受到深度因素限制，制约了非常规油气的安全高效开发，固井压裂趾端滑套的研制解决了上述问题，近年来逐渐广泛应用于各大油气田。国外油田公司对于固井压裂趾端滑套的研究起步较早，已取得一定的进展，形成了一系列具有优势和特色的工艺技术与配套产品，主要包括Smart趾端滑套、RapidStartTMInitiatorCT滑套等[9]，这些产品使用时大多受到井深限制，开启压力不足，在国内现场使用效果较差，且处于技术垄断，供货周期长、费用高。国内自主研发的代表性产品是中国石油集团工程技术研究院研制的DRCFT型固井压裂趾端滑套，已在昭通页岩气田全面推广应用，突破了国外产品适用垂深的限制，总体技术国际先进，打破了国外公司的技术垄断。

　　2.1现场需求

　　随着页岩气藏勘探开发的持续深入，水平井的水平段不断延伸。由于连续油管的一般作业长度有限，在井深较深的情况下难以下到指定位置，且对于井眼轨迹复杂、水垂比较大、水平段末端呈“上翘型”等的水平井，连续油管传输射孔易发生卡钻、自锁、落物等问题[10]。

　　针对水平井第一段射孔连续油管传输及爬行器送入等存在的射孔枪难以下至井底[11]，施工风险大，作业时间长、费用高等问题，多数油田选择使用固井压裂趾端滑套代替连续油管射孔作业，建立第一段压裂通道，从而对储层进行增产改造。目前固井压裂趾端滑套在现场的应用中有以下技术需求：①要求固井压裂趾端滑套能够准确开启，开启压力值误差需控制在设计值的3%以内;②在高温、高压的工作环境下保证良好的密封性;③能够满足固井及大排量压裂施工;④能够完成全井筒套管的密封完整性测试。

　　2.2工作原理

　　中国石油集团工程技术研究院研制的固井压裂趾端滑套是目前我国研制的较有代表性的产品。固井施工前，将固井压裂趾端滑套随套管下入井底预定位置，正常开泵循环、固井注水泥作业等。压裂前对井筒内套管进行阶梯式试压，试压压力达到高精准开启阀开启压力值，开启阀打开，套管内液体及液体压力通过传压孔传递作用于滑套，使其向下移动，露出压裂孔，建立套管内外连通通道，便可直接进行压裂作业或泵送测井仪器、桥塞、射孔枪等后续作业工具。

　　2.3主要技术参数DRCFT型固井压裂趾端滑套自2018年开始研制以来取得了较大突破进展，主要技术参数如下：内通径112~118mm，本体外径186mm，开启压力50~160MPa可调，总长度1.53m，耐高温180℃。

　　2.4技术优势

　　该固井压裂趾端滑套有以下几点技术优势：

　　(1)采用特殊流体隔离屏蔽技术，隔离保护滑套运动部件和高精准开启阀，防止水泥浆凝固后对滑套开启造成影响。(2)滑套本体与下接头间采用独特的空气腔结构设计，开启压力由套管内绝对压力决定，不受套管内外压差限制。(3)安装三个相对放置为120°的高精准开启阀，提供备份，确保至少一个高精准开启阀始终布置在水平井眼的高侧，不会被井筒杂质封堵，确保滑套开启成功。 (4)完全开启后，流道面积基本等于套管流道面积，压裂过程中无通道节流。(5)滑套本体与上、下接头间采用高温高压动密封，确保滑套开启前密封长久有效。

　　2.5应用现状

　　据不完全统计，固井压裂趾端滑套目前已在国内非常规油气井使用超150口井。截止目前，DRCFT型固井压裂趾端滑套已在昭通页岩气井现场应用超33口井，固井施工期间没有发生提前打开的问题。固井到压裂井筒试压，最长放置时间509天，压裂时全部顺利打开且满足压裂施工要求，开启成功率100%。近期中国石油集团工程技术研究院已经升级研制出二代全井筒可试压DRCHP型固井压裂趾端滑套，在原有结构基础上增加了试压短节，可进行180MPa的全井筒试压，目前已在现场应用2口井，均顺利打开满足现场施工要求，总体技术国际领先。

　　3固井压裂滑套研制现状

　　目前，国外各大油田公司已研制出多种较成熟的固井压裂滑套产品并在现场得到了较广泛的应用，取得了较好的效果，但目前国内成型产品较少，且仅有少数油田引进了国外产品。国内外现有的固井压裂滑套虽然能满足一定条件下的现场需求，但不同种类的固井压裂滑套尚存有各自的缺陷。现有的滑套产品可大致分为：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、电磁智能开启式等。

　　3.1投球憋压开启式滑套

　　投球憋压开启式滑套是指在滑套内置憋压球座，在组合管柱下入井中并准确定位后，先进行常规固井作业，随后投入不同直径的压裂球与对应的球座配合，密封憋压，向井口打压逐级开启滑套完成压裂，反排时，球随附液体返出井筒。近几年来，投球憋压开启式滑套及压裂球发生了许多变化，特别是球的材料和球座的几何形状，都有了不少创新和改进[13~14]。例如，将常规球座改造成双座球座，这样可增加同尺寸压裂球能提供的憋压压力，进而提升同尺寸滑套可压裂的级数。

　　3.2飞镖憋压开启式滑套

　　与投球憋压开启式滑套类似，飞镖憋压开启式滑套也是通过向井下投入触发工具与井下结构配合密封的方式来憋压开启滑套。得到较广泛应用的是Schlumberger公司2006年研制出的TAP-Lite滑套，该滑套主要由启动阀、TAP阀、中继阀等组件组成，其中TAP阀主要由阀体、内滑套、活塞、C形环等部分组成，滑套和飞镖的具体结构。

　　当压力沿着液压控制管线由上一级传至腔内，C型环受挤压变形缩径，投入飞镖与之配合密封，即可通过向套管内加压开启滑套，进而将压力传递给下一级滑套。该滑套也不需要额外下入井下工具管串，节省了施工时间，且相比于投球憋压开启式滑套其施工压力较低，无需钻铣球座，提高了工作效率。

　　4技术发展方向

　　随着勘探开发的不断深入，未来的油气开采将面临更加复杂的井下环境，对于更高效率、更低风险的技术实施提出了要求。因此，固井滑套分段压裂完井技术未来将会更加广泛的被油田现场需要和应用。为了更好地面向现场的技术需求，现对固井滑套分段压裂完井技术未来的发展方向提出展望。国内外对于非常规油气藏的开发最早利用滑套是采用裸眼封隔器+滑套的方式进行压裂完井的，在国内外油田得到了较广泛的应用。后来由于采用这种方式压裂井壁稳定性差、完井风险大，近年来便多采用固井滑套分段压裂完井技术进行完井改造。

　　最早应用较为广泛的是投球憋压开启式滑套，但是由于压裂球尺寸限制和起裂压力较高导致可压裂层数受限，其推广受到了严重制约，因此这种滑套现在只常用于对压裂层数要求不多的油气井。通过不断的改进和创新，各大公司又开发出可下入配套机械工具的可开关的固井压裂滑套，实现了出水层的封堵和选择性的储层改造，在浅层页岩气及致密砂岩产层的开发取得了较好效果。近年来，为了实现更加智能化的压裂改造，液压封隔开启式滑套及无线电磁开启式滑套被研发出来，逐渐在各大油田进行了现场试验。

　　从整体层面来看，国外大多数的水平井压裂正在朝着无限级、多层次、智能化的方向发展，我国的压裂完井技术与国外相比还存在着一定差距，在压裂层数和压裂效果方面还存在着很多的不足。目前，我国使用固井滑套进行多级分段压裂完井尚未形成有针对性的压裂施工工艺，因此为了满足降本增效要求，我国的固井滑套分段压裂完井技术一定会朝向自动化、智能化方向发展。

　　5结论与建议

　　5.1固井滑套分段压裂完井技术发展建议

　　建议大力开发固井滑套分段压裂完井技术配套的计算模型和软件，在每次的固井、压裂施工前根据地质情况和已有设备适用的施工条件进行分析计算，对各种类型的固井压裂滑套进行合理的匹配选择，对滑套的安放位置、使用数量及滑套的不同开启方式进行优化计算及优选，争取做到“一井一案”，减少施工时间，降低开发成本。

　　5.2固井压裂趾端滑套改进建议

　　随着固井压裂分段压裂完井技术的不断成熟，油田对于固井压裂趾端滑套的质量及功能提出了更高的要求。根据现有的各类固井压裂趾端滑套产品提出改进建议如下：

　　(1)采用高精准度开启阀，使固井压裂趾端滑套的开启压力准确且可调，实现压力等级系列化，满足埋深4500m以内页岩气、致密油气水平井技术需求。(2)提升固井压裂趾端滑套的最高试压压力，保证套管试压稳定和足够的试压时间，满足全井筒试压要求，用于检验各类井筒的密封完整性。(3)保证固井过程中固井压裂趾端滑套与水泥浆之间的隔离，对滑套运动部件和高精准开启阀实现充分的保护，不会被水泥封固住。(4)保证固井压裂趾端滑套在井下高温高压环境下的动密封，保证滑套打开前长久密封，满足不同垂深水平井的使用要求。

　　5.3固井压裂滑套改进建议

　　经过对各类固井压裂滑套性能特点的对比，不论是国内还是国外的滑套产品，每种滑套都有自己独特的优点，但是在现场应用中仍存在一定的缺陷。建议未来固井压裂滑套的改进能够消化吸收不同种类滑套的优点，取长补短，更好地满足现场施工需求。针对各类固井压裂滑套现存问题提出具体的改进建议如下：

　　(1)对于投球憋压开启式滑套压裂级数受限的难题，可以继续优化球座与球的匹配关系[32]，研制各种可收缩球座，实现压裂后球座的还原。另外可对压裂球及球座的材料进行可溶性改进[33~34]，以解决球的反排难问题，节约钻铣球座的时间。(2)对于机械工具开关式滑套上提下放配套开关工具管柱耗时较长的问题，可以在竖直井段预设开关工具驻留筒，减小开关工具不完全起出时对压裂过程的影响，从而减少配套开关工具上提下放的时间耗损，提升工作效率。

　　(3)可在固井压裂滑套内预置可开关结构并加装各类传感器，以实现后期油气藏选择性生产控制和重复压裂改造。(4)对于井下无线控制开关滑套等智能滑套，应加大研发力度，解决井下供电及高温、高压环境下电子元件的使用难题。总体看来，未来的固井滑套分段压裂完井技术将会在配套关键工具和建模软件的支撑下，满足井下固井及大排量体积压裂施工要求，更加高效、智能、安全地逐步实现产层的无限级体积压裂改造。

　　参考文献

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　　作者：关皓纶1，2王兆会1刘斌辉1