管外封投球滑套压裂技术

董建立 马宏伟 肖诚诚 杨康敏 王新志 高俊山

（河南油田石油工程技术研究院，河南郑州 450000）

管外封投球滑套压裂技术

董建立 马宏伟 肖诚诚 杨康敏 王新志 高俊山

（河南油田石油工程技术研究院，河南郑州 450000）

由于常规压裂技术无法实现裸眼完井水平井长水平段的压裂，严重制约了油田非常规油气资源的大规模开发，为此，进行了管外封投球滑套压裂技术研究。研制了K342-142压裂封隔器、PS70-140 压差滑套、BS70-140 投球滑套、QZ-130 坐封球座等一系列工具，形成适用于河南油田的多级分段压裂工艺管柱，适合致密砂岩压裂，满足了油田快速开发非常规资源的需要。

裸眼水平井；多级分段压裂； K342-142压裂封隔器；BS70-140 投球滑套

河南油田泌阳凹陷致密砂岩油气埋藏深、井温高、储层物性极差，储层的保护至关重要。管外封投球滑套压裂工艺施工速度快，可减少压裂液对储层的伤害，适合泌阳凹陷致密砂岩油藏压裂开发。国外管外封投球滑套压裂技术垄断了国内技术应用市场，技术上的垄断造成实施费用非常高，严重制约了油田非常规油气资源的开发。十二五期间，河南油田致密砂岩非常规油气井多级分段压裂工艺规模很大，依靠国外的技术服务费用非常高。因此在引进技术基础上，研制出适合河南油田的多级分段压裂工艺管柱。

1 管外封投球滑套压裂分段工艺管柱

管外封投球滑套压裂工艺管柱由插管丢手、悬挂封隔器、压裂封隔器、投球滑套、压差滑套、坐封球座等组成。

工艺原理：下入管外封投球滑套分段压裂工艺管柱，油管内泵入压裂液，升压打开压差滑套，打开底层的进液通道，实现对末端底层进行压裂。压裂完底层后，投送低密度阀球到管柱内部，将压裂液泵入油管内，将低密度球推至投球滑套，随管柱内压升高，投球滑套被打开，并将底层封堵，实现第2层压裂。然后逐级投球，完成对所有封隔层段的压裂。压裂后，靠地层的压力和产量，各级的低密度球随井液排出，返回到地面［1］。

1.1 K342-142压裂封隔器

1.1.1 结构 K342-142封隔器的结构如图1所示。

图1 K342-142封隔器结构

1.1.2 工作原理 定压坐封机构和防坐封机构用于管柱下入过程中，防止封隔器因井壁摩擦和内外压差的作用引起的封隔器中途坐封，保证封隔器的正常下入。管柱下入到位后，油管内施加一定压力，使定压坐封机构打开，油管内液体通过保压机构进入封隔器胶筒内，胶筒膨胀，封隔器坐封，保压机构可防止胶筒内的液体泄漏，使封隔器长久有效坐封，保证压裂的正常进行。起管柱时，正向旋转管柱，解封机构推动保压机构，使之失效，胶筒内的液体泄漏而回弹，封隔器解封，保证封隔器的起出。

1.1.3 技术关键 扩张式封隔器胶筒如图2所示，有以下特点：用变硬度金属，保护钢带防止钢带损坏；增加钢带的质量和厚度，以增强钢带强度，防止钢带损坏；通过大量钢带的裸露段，增强封隔器的锚定能力［2］。

图2 扩张式封隔器胶筒设计原理图

1.2 PS70-140 压差滑套、BS70-140 投球滑套

1.2.1 结构 PS70-140 压差滑套和BS70-140 投球滑套的结构如图3所示。

图3 压差滑套和投球滑套结构

1.2.2 工作原理 压差滑套：由于压差滑套的滑动套前端截面积大于后端截面积，管柱内压力会在滑动套前后两端形成压力差，剪断销钉，推动滑动套移动，让出压裂通道；同时，锁紧机构锁住滑动套，防止滑动套回退挡住压裂通道［3］。

投球滑套：当低密度球被压裂液推至投球滑套球座后，管柱内继续打压，达到一定压力后，销钉剪断，推动滑动套移动，让出压裂通道；同时锁紧机构锁住滑动套，防止滑动套回退挡住压裂通道。

1.2.3 技术关键 为了保证投球滑套和压差滑套能够完成多级压裂，设计必须满足：（1）耐高温150 ℃、耐高压70 MPa；（2）大通道，产生较小的摩阻；（3）防止压裂砂对滑套的冲蚀；（4）防止压裂液通道的关闭；（5）满足多级投球的需要。

投球滑套和压差滑套的设计关键为：滑动套的球座内孔设计和压裂液对压裂通道处的强度影响研究。主要从选择材料和热处理来考虑。

滑套外表面的处理：滑套外表面采用WC热喷涂技术来强化表面硬度，减少砂粒反弹撞击带来的材料磨损。目前等离子喷涂效果最好，超耐磨损，耐高温450°，耐高压70~140 MPa。结合强度68.96 MPa以上，光洁度：经研磨可达到镜面Ra0.2以内、孔隙率1%以下，涂层维氏硬度最高达HV1200左右（洛氏HRC70左右），滑套外表面采用等离子喷涂。

滑套内球座材料的选择。有两种方法可实现球座的耐磨性和可钻性能：一种是球墨铸铁+锥面表面碳氮共渗，成本较低，可钻性较差，另一种是非金属复合材料+锥面表面喷涂陶瓷，成本较高，可钻性能好，但复合材料的研究周期长。根据生产需求，采用球墨铸铁+锥面表面碳氮共渗的方法，利用现有的工艺达到低成本、能够钻除的目的。

1.3 QZ-130 坐封球座

1.3.1 结构 QZ-130坐封球座的结构如图4所示。

图4 坐封球座结构

1.3.2 工作原理 坐封球座的作用是下井后保持油套管的过液通道畅通，便于保护液替换钻井液，管柱坐封时隔绝油套管，必须保证水平状态下的永久隔绝，保证压裂，因此设计上采用双重密封结构。

投球前，球座—外套与上下接头环空—下接头内部三者连通，管柱内部与外部连通。投球后，球坐落在滑动座上，在一定压力下，滑动座上的销钉被剪断，滑动座下行到坐封球座底部。此时过液通道被球和O型圈两种密封关死，同时滑动座被锁紧机构锁住，保证了坐封球座内部通道的彻底关闭。将通道完全关闭。双重密封可以防止环空压力过高时，球被反向压力推离球座面而失去密封作用［4］。

1.3.3 技术关键 设计关键点为球座滑动密封。如图5所示。

图5 球座滑动密封的原理

在A状态时，采用O型圈密封，可以达到50 MPa以上的耐压差能力。当中心管右移时，左端的O型圈将通过开孔部分，达到B状态。在高温高压下，O型圈变软，滑行的过程中，液流冲出部分O型圈到开孔里，从而剪断O型圈，造成密封的失效。

为此，设计了防剪切密封，在O型圈的两端设计有PTFE材料的挡圈，将O型圈包围，每端受力皆可将O型圈推向内部收缩，从而形成对O型圈的保护，防止被液流冲出。

2 工艺流程

（1）通井。为了保证各井下工具能够可靠下入，防止封隔器下入不被损坏或遇阻，确保悬挂封隔器锚定和坐封可靠。完井管柱下入前，需要对水平井进行4次通井。首先对上部直井段套管进行刮削通井，第2次通井针对水平井的裸眼水平段进行磨削通井。第3次通井采用与裸眼井设计尺寸相同的西瓜磨鞋来进行通井。第4次通井采用上两种西瓜磨鞋通过一根钻杆连接后通井。

（2）下入完井管柱。缓慢下入完井管柱。地面投坐封球到坐封球座，内部打压坐封悬挂封隔器和所有压裂封隔器，之后升高压力丢手脱开，起出上部钻杆。下入完回接管柱，整个完井管柱下入完毕，形成管外封投球压裂工艺管柱。

（3）压裂。完井管柱下入后，压差滑套和各投球滑套处于关闭状态。油管内泵入压裂液，升压打开压差滑套，打开底层的进液通道，即可实现对末端底层进行压裂。压裂完底层后，投送低密度阀球到管柱内部，直井段靠重力下行，到水平段，通过泵送一定的排量推动球向前移动，由于压差滑套已打开，泵送前置液到投球滑套，低密度球密封投球滑套，管柱内压升高，在一定内外压差下，投球滑套被打开，并将底层封堵，从而实现第2层的压裂。这样逐级投球，可完成对所有分隔的层段进行压裂。压裂后，靠地层压力和产量，各级的低密度球随井液排出，返回到地面，整个管柱保持畅通。

3 现场应用

河南油田安深3-XHF井采用管外封投球滑套压裂工艺管柱。于2013年1月21日—2月22日，进行了完井作业和多段压裂施工。完井过程比较顺利，主要表现在：完井管柱经多次通井后下入顺利无遇阻，配套工具不受下压力，为脱手、压差滑套打开等过程做好准备；脱手一次成功，上提负荷与实际管柱自重一致，脱手顺利；压差滑套打开压力与设定压力相符合。压裂过程比较顺利，只用2天完成了7段压裂，工艺成功。

4 结论与认识

（1）扩张式裸眼井压裂封隔器能够满足裸眼井多级分段压裂管柱的无锚定分层密封问题；管外封投球滑套压裂工艺管柱能够实现裸眼水平井9级分段压裂，可大幅度降低压裂管柱费用，具有推广应用前景。

（2）目前裸眼水平井多级分段压裂工艺施工过程中，因投球操作需停泵送球造成过顶替的问题，目前正在进一步改进工艺，设计自动投球器，实现不停泵投球，解决压裂液过顶替问题。

［1］张琪.采油工程原理及设计［M］.山东东营：石油大学出版社，2000.

［2］罗英俊.采油技术手册［M］.北京：石油工业出版社，2005.

［3］刘朝儒.机械制图［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

（修改稿收到日期 2014-07-03）

〔编辑 景 暖〕

Fracturing technology by ball dropping sliding sleeve outside casing

DONG Jianli,MA Hongwei,XIAO Chengcheng,YANG Kangmin,WANG Xinzhi,GAO Junshan
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology of He’nan Oilfield Company,Zhengzhou450000,China）

Due to the fact the conventional fracturing technology cannot fracture the long horizontal section in open-hole completed horizontal well,which severely restricts the large-scale development of unconventional oil and gas,research was carried out on fracturing technology by ball dropping sliding sleeve outside the casing.A series of tools like K342-142 fracturing packer,PS70-140 pressure difference sliding sleeve,BS70-140 ball dropping sliding sleeve and QZ-130 setting ball seat were developed,and a multi-stage fracturing technical string applicable to He’nan Oilfield was generated,which is suitable for tight sandstone fracturing and satisfies the need for rapid development of unconventional resources.

open-hole horizontal well;multi-stage fracturing;K342-142 fracturing packer;BS70-140 ball dropping sliding sleeve

董建立，马宏伟，肖诚诚，等.管外封投球滑套压裂技术［J］.石油钻采工艺，2014，36（5）：97-99.

TE357；TE934

：B

1000–7393（2014） 05–0097–03

10.13639/j.odpt.2014.05.023

国家专利：专利号ZL 2012 2 0647530.1。

董建立，1989年生。 2010年毕业于安徽理工大学机械设计制造及其自动化专业。现从事机械采油工艺研究工作。电话：18538030864。E-mail：103140257@qq.com。