一种活动式可密封的滑套开启工具设计与研制

崔警宇 赵伟 曾明勇 刘涛

中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院 四川 德阳 618000

我国页岩气资源量达134万亿立方米，位居世界第一[1]。由于页岩孔径为纳米级，天然气在孔隙中根本无法有效流动，需要借助水平井多级分段压裂技术才能实现页岩气资源的有效动用。多级滑套分段压裂技术作为水平井多级分段压裂技术的重要支撑，具有施工程序少、作业成本低、压裂效率高的特点，为页岩气资源经济高效开发提供了一种新的选择。

根据“一把钥匙开一把锁”思路设计的全通径无级滑套系统，是页岩气等非常规油气藏开发的一种全新技术手段[2]。通过“套管+全通径无级滑套”固井、完井、压裂可以进一步降低页岩气井建井费用。现用全通径无级滑套密封胶筒设置在内筒上，通过胶筒变形、抱紧开启工具实现压裂时的层间密封。由于工作井深＞3500m、环境温度＞130℃，在内筒上的密封胶筒需要经历固井、探扫塞等工序，面临井下高温长时间考验，易出现损坏、碳化等问题，密封失效风险大。因此设计了一种活动式可密封的滑套开启工具，将密封胶筒设置在滑套开启工具上，压裂时投入滑套开启工具，在轴向机械力触发下压缩胶筒实现开启工具与滑套之间的密封，从源头上避免了固井及高温等对密封系统的影响。

1 结构设计与工作原理

活动式可密封的滑套开启工具主要由引导头、胶筒、推筒、本体、球座、销钉、球、本体上的卡挂弹片等8个部分组成（如图1所示）。球座与钥匙本体，交叉压在推筒内部台阶上，并且通过销钉安装在钥匙本体上，引导头通过丝扣连接在钥匙本体上，胶筒安装在引导头上。活动式可密封的滑套开启工具在压裂施工过程中通过泵送到达指定的滑套处卡挂后，继续加压，球与球座密封推动球座剪切销钉，球座下行带动推筒下行压缩胶筒形成外部密封，这时钥匙已卡挂好，继续加压就可以打开滑套，从而进行加砂压裂施工。

图1 活动密封式滑套开启工具

2 关键功能参数设计

2.1 密封系统优化设计

如图2所示，将密封胶筒放置于滑套开启工具上，能更好适应固井及高温条件下可靠作业需要，然而将其放置在内筒上时可获得更高的胶筒坐封力，当密封系统尺寸与滑套开启工具相匹配，一定压差下胶筒接触应力分布大幅度降低，其性能成为决定压裂施工成败的关键，基于胶筒在井下工作的初封阶段和工作阶段，分别对其性能进行分析[3]。

图2 胶筒封隔部位示意图

（1）胶筒初封性能计算

在自由变形阶段，胶筒处于单向压缩状态，其压缩变形坐封力计算表达式为：

式中：E—胶筒弹性模量，MPa；μ—胶筒泊松比；R0σ—内筒内半径，mm；R1—胶筒外半径，mm。

针对Φ101.6 mm油管匹配的滑套开启工具，初步设计胶筒内径63 mm、外径83 mm。计算结果表明，当胶筒承压差0.68 MPa，坐封力为0.3 t时，胶筒迅速鼓胀并压贴到接触内筒，胶筒压贴所需压差仅为0.68 MPa，其高度缩短5.3 mm，此后胶筒处于约束变形阶段，压差载荷的上升主要用于使其接触应力迅速升高，进一步提高了胶筒的初封性能。

（2）胶筒工作性能计算

根据滑套开启工具的结构特点，内筒对底座具有卡挂性能，使得压裂施工时工具上的压差作用力，分别由内筒内壁、底座外壁提供的摩擦力克服[4]。假设胶筒不可压缩，认为胶筒上的轴向、径向接触应力相等，那么胶筒承压差实现密封所需坐封力计算表达式为：

式中：εz=Δh/h；h—变形前胶筒的高度，mm；Δh—变形后胶筒的高度，mm；Rn1—压环外半径，mm；R0—胶筒内半径，mm。

对不同工况下胶筒受到的坐封力等参数进行了计算，其中胶筒工作阶段所需总坐封力，等于胶筒承压差、胶筒鼓胀所需坐封力之和，计算结果表明，在不同的压差下，胶筒的变形均处于弹性范围内，压差提供给胶筒的坐封力均大于胶筒工作阶段所需总坐封力，坐封力余量达5-11 t，密封能力达45 MPa，见表1。

表1 胶筒工作性能计算表

表2 分段螺纹牙根截面强度校核

2.2 连接系统优化设计

如图3所示，滑套开启工具上连接系统采用了分段螺纹设计，螺纹沿圆周方向不连续，至少由两段螺纹构成，该结构有利于组件经开叉θ角度处下入安装、相对运动压缩胶筒形成密封，然而其连接性能成为影响工具可靠和成功应用的关键问题。基于θ角度对螺纹强度公式进行了线性修正，选取内、外螺纹牙根危险截面，对剪应力、弯曲应力进行强度校核[5]：

图3 分段螺纹示意图

式中：τ—剪应力，MPa；[τ]—许用剪应力，MPa；σb—弯曲应力，MPa；[σb]—许用弯曲应力，MPa；F—轴向力，N；n—分段螺纹段数；θ—单段螺纹铣削角度；d—螺纹基本小径或基本大径，mm；b—螺纹牙底宽度，mm；z—螺纹有效圈数。

综合考虑材料、θ角度、螺纹规格等因素对二段式螺纹进行优化设计后，按压差45 MPa施加25.55 t轴向力的工况进行了强度校核，计算结果表明：采用35 CrMo级别材质，螺距达3 mm，铣削θ角度达45°时，不仅有利于提高经开叉θ角度下入安装的组件强度，而且保障了分段螺纹承载能力达45 MPa。

3 活动密封式滑套开启工具试验

如图4所示，选取177.8 mm套管井筒开展活动式可密封的滑套开启工具地面试验，建立了密封性评价试验系统，采用101.6 mm油管送匹配滑套入井，入井管柱结构：堵头+筛管+1#滑套+2#滑套+3#滑套+101.6 mm油管锥管挂，其中3#滑套用于活动式可密封的滑套开启工具试验。试验过程中先投1#、2#滑套开启工具开启1#、2#滑套，再投入活动式可密封的滑套开启工具开启3#滑套，并进行加压密封性能验证试验。结果表明：活动式可密封的滑套开启工具能够顺利泵送到位、匹配并开启滑套；密封胶筒接触应力分布合理，密封能力达45 MPa；分段螺纹连接性能好，方便了各组件的交叉安装，产生相对运动的动作灵活可靠，其承载能力达45 MPa；滑套开启工具的关键功能参数设计达到预期要求，能够满足现场施工需要。

图4 井筒模拟实验评价系统示意图

4 结论

（1）在活动密封式滑套开启工具上设置密封胶筒结构，压裂时逐级投入，采用轴向机械力启动密封系统、实现管柱内层间封隔，密封能力达45 MPa，密封系统不需要随压裂管柱提前预置，解决了固井及高温对密封系统影响的难题。

（2）组件间通过分段螺纹连接，利于组件交叉安装、连接可靠，承载能力达45 MPa，能满足中浅层、深层页岩气气井压裂需要。

（3）研发的活动密封式滑套开启工具通过了井筒试验的检验，具备生产应用的条件，有利于全通径无级滑套油管柱固井代替常规套管固井的实施，应用前景广阔。