黎 偉, 夏 楊, 陳 曦
(1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川成都 610500;2. 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川成都 610500)
近年來(lái),隨著水平井鉆井技術(shù)的發(fā)展和對(duì)低滲透油氣藏開(kāi)發(fā)技術(shù)研究的不斷深入,利用水平井技術(shù)可以有效開(kāi)發(fā)低滲透、特低滲透及致密性油氣藏。水平井分段壓裂在增大油藏接觸面積、提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),且能更大程度地縮短施工時(shí)間、降低開(kāi)發(fā)成本[1-3]。國(guó)外智能滑套分段壓裂技術(shù)已成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),智能滑套激活成功率達(dá)到了86%,并在縮短施工時(shí)間和降低成本方面顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[4-8]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)滑套分段壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用也日趨增多[9-12]。隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)快速發(fā)展,油氣開(kāi)發(fā)作業(yè)正在向智能化、低成本化和高效化方向發(fā)展。為了優(yōu)化傳統(tǒng)壓裂技術(shù),基于RFID智能滑套的水平井分段壓裂技術(shù)及其配套工具RFID智能滑套應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)壓裂技術(shù)耗時(shí)長(zhǎng),操作復(fù)雜,后期需鉆銑,重復(fù)壓裂時(shí)需重新下放管柱,不可作為生產(chǎn)管柱使用,導(dǎo)致作業(yè)成本高于RFID智能滑套壓裂技術(shù)[13-14]。據(jù)統(tǒng)計(jì),單井壓裂成本占總投資的35%,而壓裂作業(yè)中壓裂液費(fèi)用、壓裂工具和技術(shù)服務(wù)費(fèi)占?jí)毫炎鳂I(yè)總費(fèi)用的58%,改進(jìn)壓裂工具和優(yōu)化技術(shù)方案對(duì)降低壓裂成本具有顯著作用[15-18]。
相對(duì)于傳統(tǒng)的水平井壓裂技術(shù),RFID智能滑套壓裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分段壓裂作業(yè)、可選擇性壓裂作業(yè)和重復(fù)壓裂作業(yè),其配套工具RFID智能滑套還實(shí)現(xiàn)了壓裂管柱全通徑,為完井作業(yè)后進(jìn)行其他相關(guān)作業(yè)提供了通道,降低了起下管柱的次數(shù)和成本。RFID智能滑套壓裂管柱后續(xù)還可以作為生產(chǎn)管柱。為此,筆者闡述了RFID智能滑套壓裂技術(shù)原理,通過(guò)與傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的實(shí)施方式進(jìn)行對(duì)比,分析了RFID智能滑套壓裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì);對(duì)RFID智能滑套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,結(jié)合單元功能試驗(yàn)及室內(nèi)樣機(jī)試驗(yàn),驗(yàn)證了RFID智能滑套單元功能的可行性及整機(jī)運(yùn)作的可靠性。RFID智能滑套可為實(shí)現(xiàn)油氣開(kāi)發(fā)作業(yè)智能化提供技術(shù)支持或參考,在改善油田采收率、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率等方面具有良好的應(yīng)用前景。
水平井分段壓裂是提高油氣井產(chǎn)量的有效措施之一,傳統(tǒng)的多級(jí)投球分段壓裂技術(shù)使用封隔器和滑套將水平井分隔為若干層段,壓裂施工時(shí)依次投入不同直徑的閥球,以打開(kāi)相應(yīng)的滑套進(jìn)行壓裂,分段壓裂完成后返排出閥球。該技術(shù)分段壓裂級(jí)數(shù)受限,且流道內(nèi)通徑自上而下逐級(jí)減小,壓裂完成后需鉆銑球座以達(dá)到全通徑,儲(chǔ)層改造開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜,壓裂作業(yè)成本較高[19-21]。
RFID智能滑套壓裂技術(shù),是將封隔器與RFID智能滑套通過(guò)多級(jí)串聯(lián),組成壓裂管柱,將油井分為若干壓裂層段,井口投送RFID標(biāo)簽球控制滑套做出相應(yīng)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)全通徑的分段壓裂、可選擇性壓裂和重復(fù)壓裂等施工作業(yè)。其壓裂管柱后期不僅可作為生產(chǎn)管柱,還可進(jìn)行找堵水作業(yè)。RFID智能滑套壓裂施工流程為[22]:
1)將壓裂管柱組裝好并下至設(shè)計(jì)井深,然后井口投球、加壓,坐封封隔器,所有滑套均處于關(guān)閉狀態(tài)。
2)地面壓裂機(jī)組連接壓裂管匯,投球器串聯(lián)在壓裂機(jī)組與壓裂管柱之間,將寫(xiě)入信號(hào)的RFID標(biāo)簽球裝入投球器內(nèi);地面壓裂機(jī)組發(fā)出壓力脈沖信號(hào),最底層智能滑套識(shí)別該脈沖信號(hào)后,滑套開(kāi)啟,開(kāi)始?jí)毫炎畹讓踊讓?duì)應(yīng)的地層。
3)最底層滑套對(duì)應(yīng)的地層壓裂達(dá)到施工要求后,調(diào)整排量,投球器投入對(duì)應(yīng)RFID標(biāo)簽球,關(guān)閉最底層智能滑套,加壓一段時(shí)間,根據(jù)監(jiān)測(cè)壓力判斷智能滑套是否成功關(guān)閉;經(jīng)過(guò)設(shè)定延時(shí)時(shí)長(zhǎng)后,開(kāi)啟下一層智能滑套,提高排量,壓裂下一層滑套對(duì)應(yīng)的地層。
4)重復(fù)步驟3),即可依次壓裂剩余層段;完成最頂層壓裂后,投入RFID標(biāo)簽球關(guān)閉最頂層滑套,此時(shí)所有滑套均處于關(guān)閉狀態(tài)。
5)壓裂機(jī)組發(fā)出壓力脈沖信號(hào),打開(kāi)最底層智能滑套,然后投入RFID標(biāo)簽球,打開(kāi)井下所有其余滑套,開(kāi)井投產(chǎn),返出所有RFID標(biāo)簽和多余壓裂液。
傳統(tǒng)壓裂(多級(jí)投球壓裂滑套)與RFID智能滑套的工作方式對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,RFID智能滑套壓裂技術(shù)對(duì)提高油氣開(kāi)發(fā)效率和降低壓裂作業(yè)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)。
RFID智能滑套由通訊單元、電控單元、電動(dòng)單元、傳動(dòng)單元和滑套單元等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 RFID智能滑套結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the RFID intelligent sliding sleeve
通訊單元主要由天線及天線接頭組成,天線是由一根長(zhǎng)的導(dǎo)線繞在非導(dǎo)磁材料的天線內(nèi)筒上,負(fù)責(zé)接收RFID標(biāo)簽信息(見(jiàn)圖2(a));電控單元主要由電控板和電池組成,負(fù)責(zé)分析天線接收到的信息并給電動(dòng)單元發(fā)出相應(yīng)指令,控制電動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖2(b)),其中電動(dòng)單元主要由電機(jī)與絲杠傳動(dòng)軸組成;傳動(dòng)單元的核心為絲杠螺母副,負(fù)責(zé)將電動(dòng)單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑套單元的軸向運(yùn)動(dòng),從而控制滑套單元的開(kāi)啟和關(guān)閉(見(jiàn)圖2(c))。通訊單元、電控單元和電動(dòng)單元均處于嚴(yán)格的密封環(huán)境中,確保無(wú)液體侵入,避免RFID智能滑套的電路系統(tǒng)失效。
圖2 RFID智能滑套部分單元功能Fig. 2 Functions of partial units of the RFID intelligent sliding sleeve
RFID智能滑套的天線外套筒、電控外套筒和滑套外套筒要求保證智能滑套內(nèi)部機(jī)構(gòu)的正常工作。為此,運(yùn)用模擬分析方法,分析和校核了天線外套筒、電控外套筒和滑套外套筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,為優(yōu)化初步設(shè)計(jì)零部件的結(jié)構(gòu)提供參考,縮短設(shè)計(jì)周期。
2.2.1 天線外套筒
建立天線外套筒三維模型,劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量,天線外套筒右端面全約束,另一端施加588 kN拉伸載荷,設(shè)定外壓為40.0 MPa,計(jì)算出天線外套筒的最大應(yīng)力為452.97 MPa(見(jiàn)圖3),而天線外套筒35CrMo材質(zhì)的屈服強(qiáng)度≥835 MPa,安全系數(shù)≥1.84,理論上安全,滿足設(shè)計(jì)要求。
圖3 天線外套筒應(yīng)力分布云圖Fig. 3 Stress distribution cloud map on antenna outer sleeve
2.2.2 電控外套筒
建立電控外套筒三維模型,劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量,電控外套筒一個(gè)端面施加全約束,另一端施加588 kN拉伸載荷,設(shè)定外壓為40.0 MPa,計(jì)算出電控外套筒的最大應(yīng)力為784.83 MPa(見(jiàn)圖4),而其35CrMo材質(zhì)的屈服強(qiáng)度≥835 MPa,安全系數(shù)≥1.06,雖然相對(duì)較小,但從圖4可以看出,應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)殡娍赝馓淄捕瞬康囊恍〔糠郑瑢?duì)該部分安裝組合部件的影響較小,因此滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2.3 滑套外套筒
建立滑套外套筒三維模型,劃分網(wǎng)格并優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量,滑套外套筒一個(gè)端面施加全約束,另一端施加588 kN拉伸載荷,外壓設(shè)定為40.0 MPa,計(jì)算出滑套外套筒最大應(yīng)力為590.68 MPa(見(jiàn)圖5),而滑套外套筒35CrMo材質(zhì)的屈服強(qiáng)度≥835 MPa,安全系數(shù)≥1.41,部件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
圖4 電控外套筒應(yīng)力分布云圖Fig. 4 Stress distribution cloud map on the electric control outer sleeve
圖5 滑套外套筒應(yīng)力分布云圖Fig. 5 Stress distribution cloud map on the outer sliding sleeve
天線外套筒、電控外套筒和滑套外套筒的強(qiáng)度校核結(jié)果表明,其力學(xué)性能均滿足使用要求。由上述各部件的應(yīng)力分布云圖可知,應(yīng)力較大部位分布在部件邊緣薄壁處,這可為RFID智能滑套關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。
為了驗(yàn)證各單元功能的可行性,開(kāi)展了RFID智能滑套單元功能試驗(yàn)。在單元功能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研制出2套R(shí)FID智能滑套樣機(jī),并進(jìn)行了樣機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)。
3.1.1 通訊單元
通訊單元主要負(fù)責(zé)信號(hào)接收,為防止信號(hào)被屏蔽,天線內(nèi)套筒為非導(dǎo)磁材料,天線纏繞其上。測(cè)試結(jié)果表明,天線磁場(chǎng)強(qiáng)度分布較為穩(wěn)定。當(dāng)RFID標(biāo)簽球經(jīng)過(guò)天線段時(shí),天線進(jìn)行信號(hào)識(shí)別,并將識(shí)別的信號(hào)傳遞到電控單元,完成通訊。模擬不同工況,在流體速度0~5 m/s條件下投入RFID標(biāo)簽球,循環(huán)多次,天線均能接收到信號(hào),表明RFID通訊可靠,且能滿足井下通訊要求。
3.1.2 電控單元與電動(dòng)單元
電控單元負(fù)責(zé)將通訊單元接收的信號(hào)分析并發(fā)送給電動(dòng)單元,精確控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向及圈數(shù),并為電控及電動(dòng)單元提供電能。試驗(yàn)時(shí),在電機(jī)輸出軸上作好參考標(biāo)記,將含有正反轉(zhuǎn)及一定角度的模擬信號(hào)直接傳輸?shù)诫娍貑卧?,觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)方向及角度;經(jīng)過(guò)多次單元試驗(yàn)驗(yàn)證并對(duì)電控單元控制程序進(jìn)行改進(jìn),最終實(shí)現(xiàn)了電控單元精確控制電動(dòng)單元的功能。
3.1.3 滑套單元
傳動(dòng)單元將電動(dòng)單元電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向位移,控制滑套的開(kāi)啟和關(guān)閉?;讓娱g設(shè)有密封圈,阻力較大,電機(jī)需克服摩擦阻力并控制滑套完成開(kāi)啟和關(guān)閉。試驗(yàn)時(shí),拉力和壓力傳感器檢測(cè)滑套單元在開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中所需的軸向作用力,反向計(jì)算出電機(jī)所需的輸出轉(zhuǎn)矩,經(jīng)過(guò)驗(yàn)算電機(jī)輸出的扭矩滿足預(yù)設(shè)要求,滑套單元能正常工作。
通訊單元、電控單元與電動(dòng)單元和滑套單元的功能試驗(yàn)結(jié)果表明,各單元的功能均能實(shí)現(xiàn),且工作情況良好,驗(yàn)證了各單元的可靠性,同時(shí)為整機(jī)功能性驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。
對(duì)研制的RFID智能滑套樣機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)加壓試驗(yàn),測(cè)試了滑套在高溫高壓工況下滑套密封和開(kāi)啟關(guān)閉的可靠性,并進(jìn)行了室內(nèi)投球試驗(yàn),測(cè)試了電機(jī)對(duì)滑套開(kāi)度的控制性能。
3.2.1 室內(nèi)加壓試驗(yàn)
RFID智能滑套右側(cè)與帶有閥門(mén)的液壓管線堵頭相連,左端接高壓泵的液壓管線,接通泵的電源,將泵排量調(diào)節(jié)至最大,向滑套內(nèi)泵入120 ℃液壓油,排出滑套內(nèi)空氣,直到右端液壓管線閥門(mén)口有連續(xù)液體流出,關(guān)閉右端液壓管線的閥門(mén);調(diào)節(jié)泵閥門(mén),依次將泵壓升至10,30,50和70 MPa,分別穩(wěn)壓1.0 h,觀察各個(gè)過(guò)程中泵壓是否下降;測(cè)試密封性能后,測(cè)試滑套高壓載荷下開(kāi)啟和關(guān)閉的可靠性,因高壓泵的排量較小,難以帶動(dòng)RFID標(biāo)簽球移動(dòng),故進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)借助輔助通訊方式控制滑套的開(kāi)啟和關(guān)閉,測(cè)試滑套在泵壓10,30,50和70 MPa條件下的開(kāi)啟和關(guān)閉功能是否正常。
不同泵壓下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出,滑套在溫度120 ℃、壓力10~70 MPa條件下密封效果良好,且滑套內(nèi)部壓力越大,滑套從關(guān)閉狀態(tài)到全開(kāi)啟狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)。
表 2 RFID智能滑套樣機(jī)加壓試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Pressure test results of prototype of RFID intelligent sliding sleeve
3.2.2 投球試驗(yàn)
從RFID智能滑套上接頭端投入1#RFID標(biāo)簽球控制滑套全開(kāi),同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),從滑套孔處觀察滑套的運(yùn)動(dòng)情況,滑套停止移動(dòng)時(shí)暫停計(jì)時(shí),記錄全開(kāi)啟時(shí)間;1.0 min后,投入2#RFID標(biāo)簽球控制滑套關(guān)閉,同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),從滑套孔處觀察滑套運(yùn)動(dòng)情況,滑套停止移動(dòng)時(shí)暫停計(jì)時(shí),記錄關(guān)閉時(shí)間;1.0 min后,投入3#RFID標(biāo)簽球控制滑套開(kāi)度達(dá)到1/4,同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),從滑套孔處觀察滑套運(yùn)動(dòng)情況,滑套停止移動(dòng)時(shí)暫停計(jì)時(shí),記錄開(kāi)啟1/4開(kāi)度的時(shí)間;再投入2#RFID標(biāo)簽球關(guān)閉滑套。重復(fù)上述步驟,投入相應(yīng)標(biāo)簽球,分別測(cè)試滑套開(kāi)啟1/2和3/4開(kāi)度時(shí)的啟閉情況。試驗(yàn)結(jié)果表明,投入標(biāo)簽球后,信號(hào)均可被天線接收,通過(guò)信號(hào)傳輸接頭傳遞至電控腔室內(nèi),控制電機(jī)旋轉(zhuǎn),使滑套達(dá)到預(yù)設(shè)開(kāi)度。
室內(nèi)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明,該RFID智能滑套密封性能良好,滑套通訊成功率高,滑套窗口開(kāi)度連續(xù)可調(diào),且開(kāi)啟和關(guān)閉功能可靠性好。
1)RFID智能滑套壓裂施工簡(jiǎn)單,理論上可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,全通徑、分段壓裂,可選擇性壓裂和重復(fù)壓裂等,克服了傳統(tǒng)多級(jí)投球壓裂操作復(fù)雜、效率低和成本高等缺點(diǎn)。
2)RFID智能滑套在120 ℃、70 MPa條件下的通訊成功率良好,滑套開(kāi)啟和關(guān)閉功能可靠性高,可連續(xù)精確控制滑套1/4開(kāi)度、1/2開(kāi)度、3/4開(kāi)度、全開(kāi)和全閉。
3)RFID智能滑套壓裂技術(shù)和配套R(shí)FID智能滑套的研究對(duì)降低分段壓裂施工成本,提高油氣采收率,簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝難度,推動(dòng)油氣開(kāi)發(fā)作業(yè)向智能化和高效化發(fā)展提供了技術(shù)參考,并展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。
4)RFID智能滑套進(jìn)行了部分功能的室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn),密封性能及可靠性良好,但目前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證還存在一些難題,需進(jìn)一步驗(yàn)證和研究含砂介質(zhì)出入滑套窗口時(shí)的密封可靠性。