电子趾端压裂滑套的研制与试验

刘奔

趾端压裂滑套代替连续管射孔用于水平井首段压裂施工具有较高的经济效益。针对常规趾端滑套难以满足开启压力窗口范围较窄的油气井首段压裂问题，研发了一种电子趾端滑套。采用特殊设计的低成本锁定与开启控制系统，通过定制的压力波形实现远程触发开启，可以有效避免滑套在施工过程中与压力相关的风险，开展了电子趾端滑套结构及功能设计，并对其压力信号采集精度、整体能耗和开启性能进行了地面测试。研究结果表明：压力采集精度受密封件摩擦影响，在50 MPa以上高压时，采集压力与实际压力差值稳定在3 MPa左右；电子趾端滑套在150 ℃环境下持续工作电流只需9 mA，整机能耗为216 mA·h/d；在地面试验中，电子趾端滑套能够成功识别压力波形信号并解锁电磁式液压锁，试验最高压力达到98 MPa。研究结果可为深层、超长水平段油气开发提供选择。

压裂工具；趾端滑套；电子滑套；压力信号；电磁式液压锁

Development and Experiment of Electronic Toe-End Frac Sliding Sleeve

It has high economic benefits to use the toe-end frac sliding sleeve to replace coiled tubing perforation in the first section fracturing construction of horizontal wells.However，the conventional toe-end sliding sleeve is difficult to meet the first section fracturing of oil and gas wells with narrow opening pressure window；therefore，an electronic toe-end frac sliding sleeve was developed in the paper.With the help of a specially designed low-cost locking and unlocking control system，the customized pressure waveform was used to realize remote triggering unlocking，effectively avoiding the risks related to pressure of sliding sleeve during the construction process.Moreover，the structure and function of electronic toe-end frac sliding sleeve were designed，and the pressure signal acquisition accuracy，overall energy consumption and unlocking performance of it were tested on the ground.The research results show that the pressure acquisition accuracy is affected by the friction of the sealing element；when the pressure exceeds 50 MPa，the difference between the collected pressure and the actual pressure remains stable at about 3 MPa；the electronic toe-end frac sliding sleeve only needs 9 mA of continuous working current in a 150 ℃ environment，and the overall energy consumption is 216 mA·h/d；in ground tests，the electronic toe-end frac sliding sleeve can successfully recognize pressure waveform signals and unlock electromagnetic hydraulic locks，with a maximum test pressure coming to 98 MPa.The research results provide choices for oil and gas development of deep and ultra-long horizontal sections.

fracturing tool；toe-end sliding sleeve；electronic sliding sleeve；pressure signal；electromagnetic hydraulic lock

0 引 言

在深层页岩气井和超长水平段井采用连续管和爬行器进行首段射孔需要花费较长的井场作业时间和作业成本，而采用趾端压裂滑套进行首段压裂已被证实具有较高的经济效益［1-4］。趾端压裂滑套的工作原理是在下套管固井过程中，趾端滑套随管柱一起下入到井中，当需要进行压裂施工时，通过井口施加一定的压力，可直接开启趾端滑套，实现管柱内和地层之间的沟通，完成油气井首段压裂。现有趾端滑套一般在入井之前提前采用剪切销钉、爆破阀等工具设置好启动压力［5-7］，在施工时，通过井口施加高于启动压力的压力值来开启趾端滑套。针对页岩气井在压裂前需要全井筒试高压的要求，近年具有延时开启功能的趾端滑套也被应用到页岩气井的压裂中［8-11］，其主要采用流体流经微型节流阀、循环压力棘轮、可溶剪钉等来实现延时和多次试压要求。

趾端滑套的开启压力设定一般需要低于油气井的最高施工压力，为了防止趾端滑套提前启动，需要将趾端滑套的启动压力设置在固井最高压力和施工最高压力之间，并留有压力波动空间［12-13］。然而，随着深层页岩气的逐渐开发，一些采用高密度钻井液固井的页岩气井，在固井过程中的压力较高，与最高施工压力之间的差值较小，使得趾端滑套设置启动压力的范围变窄；而且剪切销钉和爆破阀的材料和加工误差造成的压力波动范围较难精确控制，使趾端滑套的施工风险增加［14-15］，常规的机械式趾端滑套难以适应这类油气井。鉴于此，本文结合页岩气压裂施工工艺，提出了一种电子趾端滑套，其采用特殊设计的低成本锁定与开启控制系统，通过定制的压力波形来触发开启，克服了滑套在施工过程中与压力相关的风险，不仅对各种井况有着更好的适应性，而且兼顾经济和可靠性，可为页岩气井首段压裂提供新的解决方案。

1 电子趾端滑套总体设计

1.1 结构设计

电子趾端滑套总体结构如图1所示。适用于139.7 mm（51/2 in）井眼的电子趾端滑套总长1 400 mm，最小内通径104 mm，承压能力140 MPa。滑套本体周向上设计有压裂孔眼，其在组装及入井状态下靠内滑套的2个密封圈将滑套内外隔离及密封。本体内部和内滑套外部组合后形成一个环空的液压油腔。电控短节上对称布置有2条长细孔与液压油腔连通，通过长细孔往腔体内注满液压油，整套锁定与开启系统被密闭封装在电控短节上的环空中。由于内滑套为压差式结构，当井内有压力时，内滑套会被推力有移动的趋势，并将压力传递到液压油腔中，然后通过电控短节上的长细孔传递到锁定与开启系统。为了保证内滑套不移动，锁定与开启系统需提供足够的密封能力，封堵住长细孔使内滑套被液压锁定。当达到开启条件时，锁定与开启系统将不再密封这一长细孔，液压油腔内的液压油将从小孔中流出，使内滑套不再被液压锁定。此时，内滑套在井内压力的作用下将移动开启，井筒内通过滑套上的压裂孔实现与地层的沟通，进行压裂作业。

电子趾端滑套与大部分电控和智能滑套相比的一个显著的特点是，其开启的驱动力仍然是井内的压力，这样滑套不再需要采用复杂的空心电机或液压回路来驱动内滑套的动作，从而大大简化滑套结构与电控系统部件，降低了滑套成本，提高了其应用的可靠性。

电子趾端滑套在承内压140 MPa，承外压60 MPa时的有限元分析应力云图如图2所示。滑套采用35CrMo材料加工，其屈服强度835 MPa，抗拉强度985 MPa。滑套的最大应力在电控短节上的长细孔上，该部位对滑套的整体承压无影响，其余部位应力均在材料屈服极限内，满足承压要求。

1.2 锁定与开启系统

根据电子趾端滑套的结构设计，为了使内滑套按需移动，露出压裂孔，需要一套可控的封堵和释放电控短节上长细孔通道的微型锁定与开启系统，并将其密封在电控短节的环空中。因此，设计了带密封圈的液压推杆来封堵住这一长细孔。由于液压油腔体内的压力与滑套受到的井内压力一样，锁定系统的液压推杆必定受到较大的推力。设计的封堵和释放长细孔通道的微型电磁式液压锁见图3，其承压能力达到140 MPa以上，但最大外径只有22 mm，有效保证了趾端滑套的结构紧凑性和大通径的设计。封堵另一个长细孔道的是压力信号采集装置，其通过监测液压油腔内的油压实现对井筒内压力信号的采集。典型的锁定与开启系统如图3所示，其包含电磁式液压锁、压力信号采集装置，控制系统与供电系统。控制系统内的程序可根据现场不同的井况要求通过上位机进行编辑定制，实现趾端滑套开启信号设定与延时功能。

1.3 功能设计

电子趾端滑套相比于常规机械式趾端滑套的最大优势在于其独特的开启方式，井内压力峰值不再是其唯一的开启信号。这样，电子趾端滑套在入井前可以设定极高的锁定力，保证滑套工具在入井、试压、开启过程中不再需要担心压力相关风险，大大提高其应用的可靠性。电子趾端滑套上配备的压力信号采集装置可以采集井筒内的压力，滑套在入井之前，会对滑套开启的特殊压力信号进行设置。滑套入井之后，压力信号采集装置会持续采集井内压力信号，并与预先写入控制系统内的压力信号进行对比，当识别到匹配信号后，控制系统会解锁电磁式液压锁，实现电子趾端滑套的开启。

图4为一个典型的压力开启信号波形随时间的关系。这个压力波形经历了4个阶段。其中蓝线为设定的压力信号与时间的关系，蓝线周围的阴影为允许的压力波动范围;红线为实际的加压曲线。只要红线在蓝线周围的阴影范围内，即实际的加压曲线在压力信号允许的压力波动范围内，则认为这一压力信号为有效信号。滑套锁定与开启系统识别到有效信号后，会执行相应的操作。各阶段的压力信号p0、p1、p2、p3和时间点t1、t2、t3、t4需要根据现场的施工能力提前设定。其中最低压力p0不应低于管柱内的静液柱压力，最高压力p3不应高于现场最高施工压力。各阶段之间的时间差值Δt需要考虑现场的加压速率，并根据各阶段的压力差值Δp合理设置。

2 地面测试

2.1 压力信号采集装置精度测试

为了验证压力信号采集系统的信号采集精度，在压力试验机上进行了等效模拟测试，如图5所示。

利用压力机给液压推杆施加轴向力来模拟等效液压油对推杆的压力，测试数据如图6所示。此次测试的等效压力范围为0～140 MPa。当压力低于20 MPa时，传感器压力值与压力机数据符合度较好，差值在0.6 MPa左右波动；当压力逐渐升高到50 MPa时，传感器压力值与压力机数据差值逐渐增大，从0.6 MPa增加到3.0 MPa；当压力高于50 MPa时，传感器压力值与压力机数据差值在3.0 MPa左右波动，其误差范围为2.2%～6.0%。这一误差主要由活塞推杆与缸体之间密封件的摩擦阻力引起，可以通过优化密封件设计和提高活塞和缸体表面质量来进一步减小摩擦阻力，提高压力信号采集系统的精度。

2.2 压力信号采集装置能耗测试

由于电子趾端滑套采用无缆设计，供电系统也封装在滑套上的电控短节中，能耗测试能为高温电池组的能量需求提供参考，实现合理的供电设计，保证滑套在井下的可靠工作时间。根据压力信号采集装置的功能设计，压力传感器在入井后就会持续采集井内的压力信号，并与设定的压力波形信号进行匹配，这样压力信号采集装置与控制系统会持续工作；而关于电磁式液压锁的能耗，只需要在压力信号匹配完成后执行。因此，需要测量压力信号采集装置与控制系统持续工作时的能耗，以及电磁式液压锁解锁的瞬时能耗。

图7为能耗测试试验装置。为模拟滑套在井下的高温环境，将待测的压力信号采集装置、控制系统和电磁式液压锁均安放在高温试验箱中，温度设定为150 ℃，并采用直流电源供电和读取电流信号，供电电压为5 V。压力信号采集装置与控制系统持续工作时的供电电流稳定在9 mA，开启电磁式液压锁的供电电流平均值约为880 mA，如图8所示。这样压力信号采集装置的整体能耗为216 mA·h/d，具有较低的功耗。开启电磁式液压锁的电流虽然较高，但其持续时间很短，整体功耗也很低。

2.3 电子趾端滑套功能测试

2023年5月，在德州大陆架石油工程技术有限公司的高压测试系统上进行了电子趾端滑套的功能测试，如图9所示。锁定与开启系统安装在电控短节的环空中，为了便于调试与功能测试，没有装配电控短节外壳。利用万用表单独接线采集传感器数据，不仅可以实时读取滑套内的真实压力，监控滑套的工作状态，还可以进一步对比泵压与滑套内压力的关系。在控制系统中提前设定好的开启压力范围如图10中阴影部分所示，为4个阶段：第1阶段在15～45 MPa之间保持不短于5 min；第2阶段在35～65 MPa之间保持不短于5 min；第3阶段在55～85 MPa之间保持不短于5 min；第4阶段在75～105 MPa之间保持不短于25 min。通过调整泵压的加载速率，使其完全落在设定的开启压力范围内，滑套最高试压到98 MPa，在到达设定的时间后，滑套顺利开启。

3 结 论

（1）设计的电子趾端滑套适用于139.7 mm（51/2 in）井眼，最小内通径104 mm，承压能力达到140 MPa。

（2）设计的锁定与开启系统能够有效地采集井筒内的压力信号，其压力采集精度受密封件摩擦影响，在0～140 MPa之间，采集的压力与实际的压力差值先符合较好，然后逐渐增大到3 MPa，最后在3 MPa左右波动。

（3）锁定与开启系统供电电压5 V，供电电流只需9 mA，开启电磁式液压锁的瞬时电流为880 mA，电子趾端滑套在150 ℃环境下工作的能耗为216 mA·h/d。

（4）电子趾端滑套在地面试验中能够成功识别压力波形信号并解锁电磁式液压锁，试验最高压力达到98 MPa。

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