曾明勇，周怡君，趙 偉

(中國(guó)石化西南油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000)

水平井分段壓裂是非常規(guī)油氣經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的重要手段[1-2]。多級(jí)滑套分段壓裂作為水平井分段壓裂的重要支撐，近年來(lái)在非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)中廣泛推廣應(yīng)用。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非常規(guī)油氣的產(chǎn)能突破，為非常規(guī)油氣壓裂工程技術(shù)提質(zhì)增效提供了強(qiáng)大支撐[3]。壓裂滑套是多級(jí)滑套分段壓裂的關(guān)鍵工具[4]。在非常規(guī)油氣不斷突破開(kāi)發(fā)技術(shù)界限的工程實(shí)踐中，以“大排量+大規(guī)?！彼毫褜?shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的體積改造技術(shù)對(duì)壓裂滑套提出了更多的要求[5-6]，推動(dòng)壓裂滑套向著全通徑、不限級(jí)、自動(dòng)化、智能化等方向發(fā)展[7-8]。在盡可能減少井筒作業(yè)工序和時(shí)間的情況下，讓壓裂滑套能夠?qū)崿F(xiàn)更多分段級(jí)數(shù)，一直是高效壓裂滑套研發(fā)追求的目標(biāo)。本文系統(tǒng)性總結(jié)并展望了國(guó)內(nèi)外壓裂滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)方式，對(duì)于壓裂滑套的不限級(jí)設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 滑套不限級(jí)研究現(xiàn)狀

鑒于非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)對(duì)滑套分段級(jí)數(shù)的迫切需求，世界主要油服公司、科研院所、高等院校對(duì)不限級(jí)數(shù)的滑套開(kāi)展了深入地研究，形成了以井下開(kāi)關(guān)工具組合、機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)以及智能電控系統(tǒng)觸發(fā)為主的滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)方式。

1.1 井下開(kāi)關(guān)工具組合

利用連續(xù)油管帶井下開(kāi)關(guān)工具組合實(shí)現(xiàn)不限級(jí)的滑套是一種壓差滑套，通常與底部帶封隔器的井下開(kāi)關(guān)工具組合配合使用，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟滑套。NCS Energy Services公司貓鼬式滑套[9](如圖1)、Baker Hughes公司OptiPortTM滑套[10]均是通過(guò)連續(xù)油管下入特定的井下開(kāi)關(guān)工具組合，到定位位置后坐封封隔器，環(huán)空加壓開(kāi)啟滑套。這類(lèi)滑套能在連續(xù)油管允許下入的長(zhǎng)度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能多的分段級(jí)數(shù)，但是其作業(yè)過(guò)程高度依賴(lài)連續(xù)油管入井長(zhǎng)度和開(kāi)關(guān)工具組合的精確定位，并且壓裂過(guò)程中受到井筒內(nèi)連續(xù)油管的影響，施工排量通常存在不同程度的限制。

圖1 貓鼬式滑套及開(kāi)啟工具結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)

機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)依靠彈性結(jié)構(gòu)結(jié)合齒槽、鍵槽等特征結(jié)構(gòu)，在滑套筒體軸向和周向上進(jìn)行機(jī)械限位設(shè)計(jì)，或機(jī)械計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)。

Weatherford公司I-ball滑套[11](如圖2)是利用彈性球籠結(jié)合滑套內(nèi)筒軸向上的齒槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械計(jì)數(shù)。通過(guò)在滑套內(nèi)筒軸向設(shè)計(jì)特定數(shù)量的凹槽單元，當(dāng)壓裂球通過(guò)彈性球籠時(shí)，推動(dòng)彈性球籠向前行進(jìn)1個(gè)凹槽單元，直至到達(dá)設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)后，壓裂球?qū)o(wú)法通過(guò)可收縮球座形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。

圖2 I-ball壓裂滑套結(jié)構(gòu)

中國(guó)石化勝利石油工程公司采用類(lèi)似原理，研發(fā)了計(jì)數(shù)式全通徑壓裂滑套[12](如圖3)。通過(guò)在滑套內(nèi)筒軸向設(shè)計(jì)不同數(shù)量的凹槽單元，實(shí)現(xiàn)當(dāng)投入第n個(gè)壓裂球時(shí)，在第n級(jí)形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。

圖3 計(jì)數(shù)式全通徑壓裂滑套結(jié)構(gòu)

中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院研制的等通徑鍵槽式滑套[13](如圖4)則是在滑套內(nèi)筒周向上設(shè)置均勻分布的鍵槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)鍵槽結(jié)構(gòu)的寬度變化實(shí)現(xiàn)分級(jí)設(shè)計(jì)。當(dāng)開(kāi)啟工具上鍵的寬度小于滑套內(nèi)筒上鍵槽的寬度時(shí)，開(kāi)啟工具順利通過(guò)滑套；當(dāng)開(kāi)啟工具上鍵的寬度大于滑套內(nèi)筒上鍵槽的寬度時(shí)，開(kāi)啟工具無(wú)法通過(guò)滑套，鍵和鍵槽實(shí)現(xiàn)配合形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。

圖4 等通徑鍵槽式壓裂滑套與開(kāi)啟工具結(jié)構(gòu)

安東石油Step-Port無(wú)限級(jí)滑套(如圖5)利用可收縮球座結(jié)合滑套內(nèi)筒周向的計(jì)數(shù)軌道實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)。當(dāng)壓裂球到達(dá)旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器位置時(shí)，通過(guò)節(jié)流壓差形成的推動(dòng)力，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器工作，并使可收縮球座在計(jì)數(shù)軌道上滑動(dòng)，直至到達(dá)設(shè)定次數(shù)后進(jìn)入開(kāi)啟軌道，使壓裂球與可收縮球座形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。

圖5 Step-Port無(wú)限級(jí)滑套結(jié)構(gòu)

機(jī)械計(jì)數(shù)方式對(duì)機(jī)械計(jì)數(shù)器的可靠性要求較高，并且各級(jí)滑套之間相互依賴(lài)、密切關(guān)聯(lián)，如果某級(jí)滑套無(wú)法正常開(kāi)啟，將影響后續(xù)滑套正常開(kāi)啟；機(jī)械限位方式則單純依靠特征結(jié)構(gòu)的幾何尺寸匹配，可以在有限的幾何空間內(nèi)設(shè)計(jì)足夠的分級(jí)組合，但對(duì)合理幾何尺寸的級(jí)差設(shè)計(jì)提出了較高的要求。實(shí)際上，任何機(jī)械結(jié)構(gòu)均需要足夠的幾何空間，機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)僅僅是一種理論上的不限級(jí)設(shè)計(jì)方式，但在具體實(shí)踐中，其能達(dá)到的分級(jí)數(shù)量往往遠(yuǎn)超過(guò)絕大多數(shù)油氣井壓裂分段的需求。

1.3 智能電控系統(tǒng)觸發(fā)

伴隨現(xiàn)代電氣工程技術(shù)高速發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)被用于壓裂滑套的研發(fā)設(shè)計(jì)，促進(jìn)了壓裂滑套技術(shù)智能化發(fā)展。TMK Completion公司Quantum投球觸發(fā)式壓裂滑套[14]采用電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并實(shí)現(xiàn)觸發(fā)開(kāi)啟，使得投入同一尺寸的壓裂球能夠觸發(fā)開(kāi)啟不同設(shè)定計(jì)數(shù)的壓裂滑套。Weatherford公司RFID壓裂滑套[15]則是通過(guò)泵送2枚RFID標(biāo)簽，其中一枚延遲開(kāi)啟上層滑套，另一枚則關(guān)閉相鄰下一層滑套。Halliburton公司新型Elect壓裂滑套[16](如圖6)通過(guò)統(tǒng)計(jì)壓裂球中嵌入磁體的磁脈沖來(lái)計(jì)算出壓裂球的數(shù)量，當(dāng)設(shè)定數(shù)量的壓裂球通過(guò)并切換套筒狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)液壓鎖啟動(dòng)開(kāi)啟滑套。

圖6 新型Elect壓裂滑套

智能電控系統(tǒng)觸發(fā)方式是真正意義上實(shí)現(xiàn)滑套的不限級(jí)設(shè)計(jì)，給未來(lái)滑套的進(jìn)一步發(fā)展提供了全新的技術(shù)思路。然而，受井下高溫、高壓、復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境等惡劣條件影響，現(xiàn)階段方式的可靠性難以得到充分保障，滑套在井下仍存在無(wú)法開(kāi)啟的風(fēng)險(xiǎn)。

2 滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)展望

滑套是1個(gè)旋轉(zhuǎn)筒體結(jié)構(gòu)，具有徑向、周向和軸向3個(gè)空間維度。以分3級(jí)設(shè)計(jì)為例：如圖7a所示，以筒體直徑D為分級(jí)的特征參數(shù)，每一級(jí)依次在徑向上變化級(jí)差Δd，形成幾何尺寸為d1、d2、d3的分級(jí)，顯然徑向尺寸的有限性使得分級(jí)數(shù)量受到限制，且嚴(yán)重影響滑套通徑；如圖7b所示，以周向角度θ作為分級(jí)的特征參數(shù)，每一級(jí)依次在周向上變化級(jí)差Δθ，形成幾何尺寸為φ1、φ2、φ3的分級(jí)，圓周筒體結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步增加了分級(jí)設(shè)計(jì)的幾何空間，大幅增加了分級(jí)數(shù)量，且不會(huì)影響通徑；如圖7c所示，以軸向長(zhǎng)度Z作為分級(jí)的特征參數(shù)，每一級(jí)依次在軸向上變化級(jí)差Δz，形成幾何尺寸分別為z1、z2、z3的分級(jí)，軸向?yàn)榉旨?jí)設(shè)計(jì)提供了最大的幾何空間，可以提供最大的分級(jí)數(shù)量，且不會(huì)影響通徑。

圖7 旋轉(zhuǎn)筒體結(jié)構(gòu)的3個(gè)空間維度分級(jí)設(shè)計(jì)示意圖

鑒于井下開(kāi)關(guān)工具組合方式的復(fù)雜性，以及現(xiàn)階段智能電控系統(tǒng)觸發(fā)方式的不穩(wěn)定性，目前機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)方式仍是實(shí)現(xiàn)滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)的首要選擇，其基本內(nèi)涵是將滑套分級(jí)設(shè)計(jì)的空間維度轉(zhuǎn)變到軸向或周向上。目前，常用做法是利用齒槽、鍵槽等特征結(jié)構(gòu)在滑套軸向或周向上的尺寸變化、數(shù)量變化以及尺寸和數(shù)量組合編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)滑套的不限級(jí)設(shè)計(jì)。

2.1 特征結(jié)構(gòu)尺寸限位設(shè)計(jì)方式

利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸限位進(jìn)行滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)“特征結(jié)構(gòu)+尺寸限位+可溶投入式球座+可溶球”的形式，以特征結(jié)構(gòu)在滑套軸向或周向上的尺寸變化作為限位分級(jí)的依據(jù)。該方案在滑套內(nèi)筒設(shè)計(jì)有凹槽、鍵槽等結(jié)構(gòu)，并利用球座上的凸齒、鍵結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)與滑套的匹配。如圖8a所示，以軸向上設(shè)計(jì)具有凸齒的球座和具有凹槽的滑套組合為例，第1級(jí)滑套凹槽長(zhǎng)度為x，與之匹配的凸齒長(zhǎng)度同樣為x，后續(xù)滑套依次變化級(jí)差長(zhǎng)度為Δx，顯然當(dāng)凸齒長(zhǎng)度大于凹槽長(zhǎng)度時(shí)，凸齒與凹槽無(wú)法形成嚙合，球座順利通過(guò)滑套，當(dāng)凸齒長(zhǎng)度等于凹槽長(zhǎng)度時(shí)，凸齒和凹槽嚙合形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。如圖8b所示，以周向上設(shè)計(jì)具有鍵的球座與具有鍵槽的滑套組合為例，第1級(jí)滑套鍵槽寬度為c，對(duì)應(yīng)鍵的寬度為c+ε，鍵寬度略微大于鍵槽寬度ε以便于二者嚙合，后續(xù)組合依次變化級(jí)差寬度為Δc(Δc>ε)，當(dāng)鍵寬度小于鍵槽寬度時(shí)，鍵與鍵槽無(wú)法形成嚙合，球座順利通過(guò)滑套，當(dāng)鍵寬度略微大于鍵槽寬度ε時(shí)，鍵與鍵槽嚙合形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。

圖8 利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸限位分級(jí)示意圖

該方式原理可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅依靠軸向或周向上特征結(jié)構(gòu)的幾何尺寸變化來(lái)實(shí)現(xiàn)滑套的限位分級(jí)。然而，過(guò)大或過(guò)快的特征結(jié)構(gòu)幾何尺寸變化可能?chē)?yán)重影響開(kāi)啟工具在管柱內(nèi)的通過(guò)性，并影響開(kāi)啟工具與滑套的有效匹配，因此合理的尺寸級(jí)差設(shè)置顯得尤為重要。

2.2 特征結(jié)構(gòu)數(shù)量計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)方式

利用特征結(jié)構(gòu)的數(shù)量計(jì)數(shù)進(jìn)行滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)“特征結(jié)構(gòu)+機(jī)械計(jì)數(shù)+彈性結(jié)構(gòu)+可溶球”的形式，以特征結(jié)構(gòu)在滑套軸向或周向上的數(shù)量變化作為計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。該方案在滑套內(nèi)筒設(shè)計(jì)特定數(shù)量的凹槽、軌道等結(jié)構(gòu)，結(jié)合彈性球籠、彈性卡爪、可收縮球座等彈性結(jié)構(gòu)組成機(jī)械計(jì)數(shù)器，利用可溶球通過(guò)計(jì)數(shù)器時(shí)的節(jié)流壓差驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器工作。如圖9a所示，機(jī)械計(jì)數(shù)器由彈性結(jié)構(gòu)上的凸齒和滑套內(nèi)筒上的凹槽組成，在軸向上利用凸齒在凹槽中滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。以計(jì)數(shù)為3的滑套為例，每通過(guò)1個(gè)可溶球，具有凸齒的彈性結(jié)構(gòu)就在可溶球的節(jié)流壓差推動(dòng)下向下滑動(dòng)1個(gè)位置，到達(dá)設(shè)定計(jì)數(shù)后便無(wú)法再向下滑動(dòng)，此時(shí)彈性結(jié)構(gòu)收縮，并與可溶球形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。如圖9b所示，機(jī)械計(jì)數(shù)器由彈性結(jié)構(gòu)相連的滑塊(圖中黑色圓點(diǎn))和滑套內(nèi)筒上的軌道組成，在周向上利用滑塊在軌道中滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。以計(jì)數(shù)為3的滑套為例，每通過(guò)1個(gè)可溶球，計(jì)數(shù)器完成1個(gè)計(jì)數(shù)行程，節(jié)流壓差推動(dòng)滑塊向右運(yùn)動(dòng)1條軌道，到達(dá)設(shè)定計(jì)數(shù)后滑塊在最長(zhǎng)的軌道中發(fā)生大位移運(yùn)動(dòng)，使得彈性結(jié)構(gòu)收縮，并與可溶球形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套。

圖9 利用特征結(jié)構(gòu)的數(shù)量計(jì)數(shù)分級(jí)示意圖

該方式十分依靠機(jī)械計(jì)數(shù)器的彈性結(jié)構(gòu)持續(xù)有效工作，在井下復(fù)雜惡劣條件下，其穩(wěn)定性和可靠性受到極大挑戰(zhàn)。并且，機(jī)械計(jì)數(shù)方式增加了各級(jí)滑套之間的相互依賴(lài)性和相互制約性，當(dāng)其中任意滑套無(wú)法正常開(kāi)啟時(shí)，后續(xù)滑套正常開(kāi)啟也可能受到影響。

2.3 特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量組合編碼設(shè)計(jì)方式

利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量組合編碼進(jìn)行滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)，是對(duì)利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸限位設(shè)計(jì)方式的進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)“特征結(jié)構(gòu)+組合編碼+可溶投入式球座+可溶球”的形式，以凸齒、凹槽等特征結(jié)構(gòu)的數(shù)量和尺寸2個(gè)變量為編碼參數(shù)，作為限位分級(jí)的基礎(chǔ)。以軸向上設(shè)計(jì)具有凸齒的球座和具有凹槽的滑套組合為例，如圖10a所示，對(duì)于滑套凹槽長(zhǎng)度分別為x1和x2的組合，當(dāng)對(duì)應(yīng)的2個(gè)球座凸齒長(zhǎng)度分別變化Δx1和Δx2后，凸齒與凹槽無(wú)法形成嚙合，只有當(dāng)凸齒和凹槽的幾何尺寸和數(shù)量嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)時(shí)，凸齒和凹槽嚙合形成坐封，憋壓開(kāi)啟滑套，確保了球座與滑套的匹配性。同理，如圖10b所示，對(duì)于球座凸齒長(zhǎng)度分別為x1和x2+Δx2的組合，當(dāng)分別通過(guò)長(zhǎng)度不匹配或者數(shù)量不匹配的滑套凹槽組合時(shí)，球座均能順利通過(guò)滑套，確保了球座在各級(jí)滑套中的通過(guò)性。

圖10 利用尺寸數(shù)量組合編碼分級(jí)示意圖

該方式利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量雙變量組合編碼最大化，提高了分級(jí)數(shù)量，但組合編碼設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，其關(guān)鍵在于合理可靠的組合編碼設(shè)計(jì)，以確保球座順利通過(guò)各級(jí)滑套并與目標(biāo)滑套實(shí)現(xiàn)唯一匹配。該方式避免了單純依靠特征結(jié)構(gòu)幾何尺寸的變化帶來(lái)的通過(guò)性影響，利用了投入式球座，減少預(yù)置彈性結(jié)構(gòu)帶來(lái)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，具有更高的可靠性和實(shí)用性。

3 結(jié)論

1) 鑒于壓裂滑套的井下開(kāi)關(guān)工具組合的復(fù)雜性，以及智能電控系統(tǒng)觸發(fā)的不穩(wěn)定性，現(xiàn)階段機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)是實(shí)現(xiàn)壓裂滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)的首要選擇，其中利用特征結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量的組合編碼設(shè)計(jì)具有更高的可靠性和實(shí)用性。

2) 利用機(jī)械結(jié)構(gòu)限位計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)壓裂滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)涵是將壓裂滑套分級(jí)設(shè)計(jì)的空間維度轉(zhuǎn)變到軸向或周向上，并且主要是利用齒槽、鍵槽等特征結(jié)構(gòu)的尺寸變化、數(shù)量變化以及尺寸和數(shù)量組合編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3) 彈性球籠、彈性卡爪、可收縮球座、投入式球座等彈性結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)壓裂滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定且有效的彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是壓裂滑套不限級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。