新型无级差套管滑套及其应用_郭朝辉

油气田开发工程新型无级差套管滑套及其应用郭朝辉魏辽马兰荣(德州大陆架石油工程技术有限公司)摘要:新型无级差套管滑套作为低渗油气藏、薄油层、页岩气和煤层气等非常规油气储层增产改造的关键工具，在油田增产增效方面具有较大的优势。主要介绍了国外无级差压裂技术配套的套管滑套的结构、原理与应用情况，阐述了其具有施工流程简单、费用低廉、压裂级数不受限制、管柱保持通径、生产后期可对滑套选择性关闭等诸多特点，以期为国内非常规油气藏的增产改造技术及配套工具研制提供参考与技术支撑。同时指出，无级差套管滑套国产化应着眼于工具结构可靠、工艺简单、耐高温高压、操作智能化等方向进行研究。关键词:无级差滑套;分段压裂;开关工具;非常规储层;储层改造中图分类号:TE934文献标识码:A文章编号:1001－4578(2012)10－0091－04NewtypeSteplessCasingSlidingSleeveandItsApplicationGuoZhaohuiWeiLiaoMaLanrong(DezhouShelfoilPetroleumEquipment＆ServicesCo．，Ltd．)Abstract:Asthekeytoolforyieldincreaseofunconventionalreservoirssuchaslow-permeabilityreservoir，thininterbedreser-voir，shalegas，coalbedmethane，thenewsteplesscasingslidingsleevehasitsgreatstrengthinyieldandefficiencyenhancementinoilfields.Thepapermainlyintroducesthestructure，principleandapplicationofcasingsleeveforthesteplessfracturinginforeigncoun-tries.Itexpoundsthecharacteristicsofthesleeve，suchassimpleconstructionprocedure，lowcosts，norestrictionoffractureseries，pathretentionofstringandselectiveclosureofsleeveinthelaterstageofproduction．ThestudyisintendedtoprovidethereferenceandtechnologicalsupportfortheyieldtechnologyandthedevelopmentofmatchingtoolsinChina’sunconventionalreservoirs.Meanwhile，itispointedoutthatthelocalizationofthesleeveinChinashouldfocusonsuchaspectsasreliabletoolstructure，simpletechnology，hightemperatureandhighpressureresistance，andintelligentoperation.Keywords:steplessslidingsleeve;stagedfracture;switchingtool;unconventionalreservoir;reservoirtransformation0引言新型无级差套管滑套分段压裂技术近几年在国外已得到大规模应用。近期，国内部分油田与国外公司合作引进该技术，并取得了良好的应用效果［1］。笔者主要介绍Schlumberger、Weatherford、BJServices、BakerHughes公司研制的新型无级差套管滑套及配套工具。该技术采用新型无级差套管滑套，随套管下入井内后实施常规固井，再依托配套工具依次打开各层滑套并分段压裂施工，以实现一趟管柱多层压裂。如今，无级差套管滑套分段压裂技术已广泛应用于直井、水平井和智能井等领域，笔者通过对无级差套管滑套分段压裂技术原理及特点、国外工具研制进展和应用情况进行系统介绍，以期为薄油层、薄互低渗油藏、页岩气(油)和煤层气藏等非常规储层的高效开发提供新的思路，对于破解储层改造难题具有积极推动作用。1工艺技术原理无级差套管滑套分段压裂是一种新兴的储层改造技术，其工艺原理是:根据油气藏产层情况确定滑套安放位置后，按照确定的深度将多个针对不同产层的滑套与套管一趟下入井内，然后实施常规固井，通过特定方式逐级打开各层滑套，进行产层压裂。该技术采用无级差套管滑套，配合液压或机械式开关工具，可用于非常规油气藏的增产改造，也—19—2012年第40卷第10期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY可作为油气井生产时分层开采及封堵底水的有效手段。与常规固井后射孔压裂及裸眼多级滑套分段压裂技术相比［2－7］，无级差套管滑套分段压裂技术具有施工流程简单、费用低廉、压裂级数不受限制、管柱保持通径以及生产后期可对滑套选择性关闭等诸多特点，在现场应用中凸显出巨大的经济效益和技术优势。2国外工具结构与特点无级差套管滑套分段压裂技术配套工具主要为滑套和开关工具。国外许多公司相继研发了多种各具特色的分段压裂完井系统［7－13］，其中主要包括Schlumberger公司的TAP压裂完井系统、Weather-ford公司的ZoneSelectMonobore分段压裂系统、BJServices公司的OptiPort和BakerHughes公司的CMD压裂工具。2.1Schlumberger公司的TAP压裂完井系统Schlumberger公司的TAP完井多级分层压裂技术已于2006年完成研发并投入市场。该套TAP压裂完井系统结构如图1所示，主要包括启动阀、图1Schlumberger公司的TAP压裂完井系统Fig.1TAPfracturecompletionsystemofSchlumbergerCompany1—启动阀;2—内滑套;3—飞镖;4—活塞;5—导压管;6—TAP阀;7—C形环;8—中继阀。TAP阀、中继阀、飞镖以及后期进行滑套关闭的连续管工具。TAP阀主要由阀体、内滑套、活塞和C形环等组成。当上一级阀体的压力传导至活塞腔时，活塞下行挤压C形环，形成球座，以用于坐入井口投入的飞镖，隔离下部储层。启动阀和中继阀内无活塞和C形环，分别用于底层第1级滑套和压裂较厚储层。在油气井生产时，如遇产层出水等特殊情况，则可下入连续管开关工具将滑套关闭，以封堵底水。当需要对多个薄油层进行增产改造时，需用金属导压管串接各压裂阀，因此，Schlumberger公司研制出一种特殊的管线卡紧装置(见图2a)。将导压管线固定于接箍上，与套管一并入井，可防止导压管磕碰损坏。同时，为降低固井顶替作业时水泥浆在工具内壁残留，避免影响滑套内套滑动性能，研制了大、小胶碗组合的特殊固井胶塞(见图2b)，该胶塞可提高系统可靠性。图2特殊固井胶塞和管线卡紧装置Fig.2Specialcementingrubberplugandpipelineclampingdevice目前TAP压裂完井系统仅适用于200mm以上井眼和114.3mm套管。受尺寸限制，TAP阀现场应用时最大井斜不超过68°，最大狗腿度每30m为25°，滑套入井后间距大于3m，因此，对油气藏厚度有一定要求。滑套整体耐压达到70MPa，耐温160℃。飞镖直径为88.9mm，压裂结束后，飞镖返排至上层滑套球座下部，并形成过流通道，过流面积相当于73mm油管，因此可有效确保后期排液、生产不会形成阻塞。2.2Weatherford公司的ZoneSelectMonobore分段压裂系统［13－14］Weatherford公司的ZoneSelectMonobore分段压裂系统早期主要应用于北美地区，系统主要包括套管滑套和连续管开关工具(见图3)。套管滑套结构主要由本体和内滑套组成，设计了内滑套向上开启和向下开启2种结构形式，且内滑套上带有锁定机构，防止其在开关位置发生移动影响密封性能。滑套本体泄流孔外侧覆盖有复合材质的保护层，可有效阻止固井施工时水泥浆和岩屑进入滑套内，影响滑套开关性能。此外，利用连续管将配套的开关工具下入井内滑套安装位置，通过井口开泵循环，工具产生节流压差，开关工具锁块外露，与内滑套台肩配合并锁紧，通过上提下放管柱开启、关闭滑套。停泵后，锁块收回，开关工具与内滑套脱离，即可提出管串。—29—石油机械2012年第40卷第10期图3威德福公司套管滑套和开关工具Fig.3Casingslidingsleeveandswitch-ingtoolofWeatherfordCompany1—Monobore套管滑套;2—内滑套;3—保护层;4—HWB开关工具;5—锁块;6—工具腔。ZoneSelectMonobore套管滑套广泛用于水平井、大斜度井和直井，其与88.9、114.3和139.7mm套管配套使用，耐压强度最高达到134MPa，适用井下温度最高达到163℃。连续管开关工具最大可配套使用的连续管为60.3mm，确保油套环空过流面积和储层压裂效果。2.3BJ公司的OptiPort压裂工具BJ公司的OptiPort压裂工具主要包括套管滑套和井下组合工具(BHA)(见图4)。一趟下入BHA管串后，不需重复上提下放管柱，可实现隔离产层、打开滑套和压裂作业等功能。滑套采用液压开图4BJ公司的OptiPort压裂工具Fig.4OptiPortfracturetoolofBJCompany1—套管;2—套管滑套;3—封隔器;4—锚定装置;5—接箍定位器。启方式，外壳与本体之间形成液缸，内滑套在液压力驱动下滑动，开启滑套。BHA主要包括接箍定位器、节流阀、锚定装置和封隔器，可实现压裂管串定位、锚定以及管串与套管环空封隔。当OptiPort套管滑套随套管入井进行常规固井后，使用连续管将BHA工具送入井内;接箍定位器确定滑套所在位置，然后向连续管内加压，坐封封隔器，锚定装置坐挂，锚定BHA工具管串;再往连续管与套管环空内加压，开启滑套，并进行储层压裂改造。压裂结束后，停泵泄压，封隔器解封，锚定装置解挂，上提管柱，进行下一层压裂。OptiPort套管滑套亦有114.3和139.7mm2种规格，适用的井眼为155.6和200mm，滑套最大外径为148.6mm，最小内径为101.6mm，液压打开压力为20MPa。井下组合工具长度约为4m，采用50.8和60.3mm连续管送入井内，其封隔器在内径99.6～127.3mm管柱内封隔能力最佳。2.4BakerHughes公司的HCM套管滑套HCM套管滑套主要由液控管线、内套及密封组件组成，如图5所示。内套上下两端设置有液缸，并分别与液控管线连接，将液控管线引至地面控制单元，从而按照储层改造要求或地层生产情况控制滑套打开、关闭。HCM滑套的主要优势在于其结构简单，无需下入特定工具对内套进行打开、关闭操作。当某一个滑套出现液控失效的异常状况时，滑套内套设计有台肩，可通过下入连续管工具与内套台肩配合进行滑套启闭补救施工。图5BakerHughes公司液控滑套Fig.5HydraulicslidingsleeveofBakerHughesCompany1—液控管线;2—内套;3—密封组件。HCM套管滑套适用最小套管为114.3mm，采用6.35mm液控管线，管线耐压50MPa，滑套内套开关压差2～3MPa，活塞排液量约240mL。因此，滑套在井底能对地面的液压控制产生及时响应，确保滑套开关快捷、准确;滑套入井后其过流面积达到4200mm2，具有较好的过流性能，不会影响后期生产、排液。上述4种新型无级差套管滑套各具特点，各有所长。从滑套作用方式来说，Schlumberger、BJ和BakerHughes的套管滑套采用液压开启方式，滑套—39—2012年第40卷第10期