免鉆型大通徑橋塞研制與應用現狀

李鵬飛，劉旭輝，王 杰

(長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023)

?

免鉆型大通徑橋塞研制與應用現狀

李鵬飛，劉旭輝，王 杰

(長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023)

橋塞-射孔聯作分段壓裂是目前國內外進行頁巖氣開發所使用的主要技術。在該工藝的施工后期，為了保障油氣暢通，需要利用連續油管磨銑工具鉆除橋塞，存在耗時較長、成本較高、容易卡鉆等問題。研制出免鉆型大通徑橋塞代替復合橋塞，可以解決這些問題。調研了國內外大通徑橋塞的研制與應用現狀，介紹了結構、工作原理、技術特點、規格性能參數及現場應用情況。分析了存在的主要問題及發展趨勢。給出了大通徑橋塞研制的建議。

橋塞；研制；應用

橋塞-射孔聯作分段壓裂是水平井分段壓裂技術中的一種。該技術是目前國內外進行頁巖氣藏等非常規油氣增產開采所使用的主要手段，具有壓裂級數不受限制、壓裂層位定位精確、工具管柱簡單、無需起下鉆(勞動強度較低)、施工效率較高、壓裂后形成的縫網更加復雜、有效改造體積更大等優點，在國內外頁巖氣藏等非常規油氣儲層改造中得到廣泛應用[1-3]。但是，此工藝施工后期，為了保障油氣暢通，需要利用連續油管磨銑工具鉆除橋塞[4]，存在鉆磨過程耗時較長、鉆磨作業成本較高、長水平段鉆磨困難、易發生卡鉆風險等問題[5]。復雜的橋塞鉆磨工序以及它所帶來的各種問題限制了橋塞-射孔聯作分段壓裂技術在頁巖氣藏等非常規油氣儲層改造中的應用，如何避免復雜的橋塞鉆磨工序，成為本領域科研技術人員需要解決的關鍵問題。

研制出內通徑較大的免鉆型大通徑橋塞來代替復合橋塞，從而避免復雜的橋塞鉆磨工序，是目前國內外本領域科研技術人員急需做的。

1 國外研制與應用現狀

目前，國外只有美國貝克休斯公司研制出了免鉆型大通徑橋塞，并進行了現場應用。2014年，貝克休斯公司發布了商用SHADOW系列壓裂橋塞。該型橋塞基于可膨脹管技術原理，主體采用金屬材料，結構合理而緊湊，使用方便，可靠性高，并附有由受控電解金屬(CEM)納米結構材料制成的可溶解IN-Tall壓裂球。施工時橋塞與電纜坐封工具相連，采用垂直井段靠自重下落，水平井段水力泵送的方式到達工作位置。施工后期無需鉆磨橋塞，效率較高，顯著降低了作業成本和作業風險。可溶解IN-Tall壓裂球在壓裂作業時抗壓，投產時能在生產流體環境下溶解，從而獲得內徑較大的油氣流動通道。另外，由于橋塞最終留在井內無需鉆磨，所以坐封橋塞井深可大于連續油管傳輸磨銑工具的作業井深，進而可使作業公司延長壓裂段長度，增加油藏接觸面積，提高產量。

1.1 結構和工作原理

貝克休斯SHADOW系列壓裂橋塞結構如圖1所示，規格和性能參數如表1所示。

最大外徑/mm最小內徑/mm承壓/MPa耐溫/℃適用套管直徑/mm(in)111．2569．96938～177139．7(5)93．5050．86938～177114．3(4)89．7050．86938～177114．3(4)

下井時，電纜坐封工具中的通芯式應力拉桿從橋塞上端插入橋塞內腔，通過上剪釘和下剪釘實現與橋塞相連，坐封工具中推筒端面與橋塞上端面接觸。坐封時，推筒在火藥燃燒產生的推力作用下推動膨脹管下行，膨脹管沿膨脹錐爬坡下行時其下端的可膨脹環膨脹，同時施加下推力于膨脹錐；上剪釘被剪斷，膨脹錐下行推動整體式卡瓦致其分瓣破裂。卡瓦錨定套管的同時膠筒在可膨脹環作用下完全脹開與套管內壁貼緊，密封油套環空；隨火藥推力增大，下剪釘被剪斷，實現坐封工具與橋塞的分離。

1.2 現場應用

2014年，貝克休斯技術人員在加拿大HornRiver盆地頁巖氣藏的7口井中開展了橋塞—射孔聯作分段壓裂技術的施工，進行了SHADOW橋塞和復合橋塞的現場對比試驗。其中2口井根據工況采用施工模式A(一口井使用SHADOW橋塞，一口井使用復合橋塞)。另外5口井根據工況采用施工模式B(一口井使用SHADOW橋塞，其余4口井使用復合橋塞)。兩種施工模式產量數據如圖2～3所示。

圖2 施工模式A產量數據

圖3 施工模式B產量數據

結果顯示：7口井中，采用SHADOW橋塞的2口井的產量與采用復合橋塞的5口井的產量相同，但由于SHADOW橋塞無需鉆除，每口井節省了大約2 d時間和＄15萬美元；施工過程中，SHADOW橋塞展現出良好的密封效果和錨定效果；納米結構材料制成的可溶解壓裂球在不到1 d的時間里全部溶解，留下SHADOW橋塞在井底提供生產通道。

2 國內研制與應用現狀

目前，國內只有少數油田、鉆采公司和科研機構研制出了免鉆型大通徑橋塞或研制情況取得重大進展，并且應用規模較小，技術性能也有待提高。

2.1 長慶大通徑免鉆橋塞

2014年，長慶油田成功研制出大通徑免鉆橋塞，該型橋塞借鑒復合橋塞結構和工作原理，設計了返排、生產通道，通過投擲可溶性壓裂球實現橋塞的臨時性封堵。壓裂施工后可溶性壓裂球溶解，留橋塞在井底，建立井下流體通道；橋塞無需鉆磨，可直接放噴、排液、投產。

該型橋塞結構如圖4所示，工作原理和普通復合橋塞相同，規格和性能參數如表2所示。

1—上接頭；2—卡瓦；3—卡瓦座；4—護腕；5—中膠筒；6—端膠筒；7—擋環；8—端環；9—下接頭。

總長/mm最大外徑/mm最小內徑/mm承壓/MPa耐溫/℃適用套管/mm7261105070120121～124

同年，該型橋塞成功應用于42口水平井，施工排量 8～15 m3/min，單井最多壓裂18段66簇，累計358段1 328簇，壓裂施工效率較常規復合橋塞壓裂工藝提高50%，平均單井產量是相鄰直井的6～8倍[6]。

2.2 中石化工程研究院大通徑橋塞的研制

2014年，中石化石油工程技術研究院承擔的“大通徑橋塞研制”項目取得重大進展。針對常規壓裂橋塞內通徑較小、鉆銑耗時較長、鉆屑循環困難、作業成本較高等問題，該項目借鑒美國貝克休斯SHADOW系列壓裂橋塞，旨在研制出一種基于可膨脹管技術原理的免鉆型大通徑橋塞。

項目組完成了橋塞封隔單元投球及密封性能、膨脹套筒材料可鉆性能等試驗[7]。結果表明：封隔單元及低密度可降解球承壓能力可達70 MPa，坐封機構的膨脹性能及可鉆性均滿足設計和使用要求。針對層層技術難關，項目組結合前期試驗結果，進行大量計算分析和性能試驗，完成了膨脹套筒材料的優選及熱處理工藝研究。通過結構優化、材料優選及熱處理工藝研究，將橋塞內徑由原來25 mm擴大到70 mm，成功研制出適用139.7 mm(5英寸)套管的大通徑壓裂橋塞，無須鉆除即可滿足投產、排采的要求。

2.3 山東杰瑞大通徑免鉆橋塞

2015年，杰瑞公司成功研制出免鉆型大通徑橋塞。該型橋塞結合復合橋塞結構和工作原理，將現有技術中內徑較小、管壁較厚的復合材料中心管改為內徑較大、管壁較薄的金屬中心管。金屬中心管的硬度、強度較高，所以壁厚減小、內徑增大也可以滿足強度要求。另外，由于金屬中心管結構強度較好，坐封過程中不會因其管壁較薄和塑性特性等原因發生損壞，可以順利完成坐封，保證橋塞的正常使用。該型橋塞結構如圖5所示，工作原理和普通復合橋塞基本相同。

1—上接頭；2—上剪釘；3—倒齒環；4—端環；5—副膠筒；6—主膠筒；7—中心管；8—護腕；9—錐體；10—錐體剪釘；11—卡瓦；12—引鞋頭；13—丟手剪釘；14—可溶球。

同年，杰瑞公司利用該型橋塞成功為中石化西南油氣分公司頁巖氣井提供“電纜泵送大通徑橋塞+可溶球”分段壓裂技術服務，順利完成16段水平井電纜泵送橋塞—射孔聯作施工。施工過程中，泵送橋塞壓力最高達72 MPa，井口施工壓力最高92 MPa，壓裂施工排量最高15 m3/min，施工難度較大。杰瑞公司完井團隊憑借成熟的施工設計和技術能力，15 d時間即順利完成16段水平井的壓裂施工，一次性為甲方節省近百萬元的橋塞鉆磨費用。

2.4 中石油西南油氣田公司大通徑橋塞

2015年，中石油西南油氣田公司成功研制出大通徑橋塞。該型橋塞及配套工具是集團公司“頁巖氣鉆采工程現場試驗”和“油氣藏儲層改造技術重大現場攻關試驗”項目的重要研究內容，用于配套頁巖氣水平井分段壓裂，結構如圖6所示，工作原理和普通復合橋塞基本相同。該型大通徑橋塞采用單卡瓦錨定，結構簡單可靠，外徑109.55 mm，內徑76.2 mm，長度381 mm，承壓70 MPa，耐溫204 ℃，壓裂球尺寸82.55 mm[8]。

圖6 中石油西南油氣田公司大通徑橋塞

該型橋塞在四川內江WH3-1頁巖氣水平井進行了現場應用。壓裂完工后，未鉆磨橋塞即排液測試，截至試油完成，累積排液9 146 m3，占應排量的22.45%。施工結果表明：該型大通徑橋塞可滿足不同排量泵送要求，坐封可靠，可溶性壓裂球壓裂作業時抗壓，并能確保入井后24 h內的完全密封，后期在生產流體環境下自然分解。壓裂后橋塞無需鉆磨，直接放噴、投產，即可滿足排采要求[9]。表明自主研制的大通徑免鉆橋塞性能達到國外引進同類工具同等水平。另外，該型橋塞在長寧H12-2井和H12-3井被成功應用。該型橋塞的現場成功應用標志著西南油氣田公司頁巖氣改造工具國產化進程邁出重要一步，對掌握自主知識產權、降低頁巖氣開采成本、實現頁巖氣優質高效開發具有重要意義。

2.5 四川威爾敦大通徑免鉆橋塞

2015年，四川威爾敦公司成功研制出免鉆型大通徑橋塞，該型橋塞采用單卡瓦結構，主體零件同樣采用金屬材料，壓裂后，可以及時排液，提供生產通道，節約施工成本，消除連續油管鉆磨作業風險。結構如圖7所示，規格和性能參數如表3所示。

1—上接頭；2—護腕；3—中膠筒；4—端膠筒；5—錐體；6—卡瓦；7—下接頭。

最大外徑/mm最小內徑/mm承壓/MPa耐溫/℃適用套管/mm主體材料103．2069．8570120112～115．5鑄鐵109．5276．270120118．6～124．3鑄鐵

3 存在問題及發展展望

雖然2014年以來國內外已經有多家公司和科研單位成功研制出免鉆型大通徑橋塞并進行了現場應用，但關于大通徑橋塞的研制與應用仍然有很多問題需要關注和探索。

1) 目前研制出的大通徑橋塞還沒有形成系列化，大多是僅適用139.7 mm(5英寸)套管，尺寸規格、配套工具、耐溫、承壓能力等均沒有形成系列化。

2) 大通徑橋塞目前只是在個別井場被成功應用，并沒有在多數井場得到大規模應用，什么樣的井筒工況適合采用大通徑橋塞壓裂，并沒有參考標準，還需要隨著不斷應用進行技術積累和總結。

3) 與鉆除橋塞保持光井筒投產的壓裂工藝相比，大通徑橋塞會節流油氣的流動。在多大的井筒流量下，大通徑橋塞對油氣流動無節流作用或節流作用較小，是本領域科研技術人員值得研究的一個課題。

目前，國內外大通徑橋塞的結構主要分為：無中心管的可膨脹套筒式和有中心管的普通橋塞式，主體結構大多采用金屬材料。無中心管的可膨脹套筒式由于沒有中心管，并且采用可膨脹套筒結構，坐封時工具內通徑顯然較大，是大通徑橋塞的研究和發展方向。工具坐封時可膨脹套筒需要發生較大塑性變形，同時還要保證強度要求，其材料的選擇和結構尺寸確定是工具研制過程中的最大挑戰。大通徑橋塞的顯著特點是內通徑較大，研制過程中在追求工具較大內通徑的同時，還要注意保證膠筒的密封性能和卡瓦的錨定效果。

4 結論

1) 免鉆型大通徑橋塞是一種新型的頁巖氣分段壓裂工具，具有內通徑較大、無需鉆磨等優點，避免了復雜的橋塞鉆磨工序以及所帶來的種種問題。該工具的成功研制與應用為國內外規模日益擴大的頁巖氣開發奠定了堅實的技術基礎。

2) 加強大通徑橋塞結構創新，擴大應用規模，不斷積累經驗、分析對比，開發出適用不同井筒尺寸和不同井筒工況的系列化產品。

3) 利用數值模擬技術，分析不同井筒流量下，大通徑橋塞對油氣流動的節流影響。將數值模擬結果與現場應用情況結合起來，對大通徑橋塞進行結構優化設計，進一步減小其對油氣的節流作用、提高密封性能和錨定效果。

[1] 姚展華，張世林，韓祥海，等.水平井壓裂工藝技術現狀及展望[J].石油礦場機械，2012，41(1)：56-62.

[2] 伊西鋒，李玉寶，李明，等.勝利油田管內分段壓裂技術及應用[J].石油礦場機械，2015，44(4)：86-90.

[3] 胡相君，李旭梅，王效明，等.114.3 mm套管水平井試氣用橋塞室內試驗研究[J].石油礦場機械，2014，43(2)：82-86.

[4] Yang Li，Adrian Terry，Christopher Parr，et al. Using Coiled Tubing to Safely and Efficiently Mill Out Composite Bridge Plugs Set Across Zones with Significant Differential Pressures[J].SPE，173671，2015.

[5] 白田增，吳德，康如坤，等.泵送式復合橋塞鉆磨工藝研究與應用[J].石油鉆采工藝，2014(1)：123-125.

[6] 任勇，馮長青，胡相君，等.長慶油田水平井體積壓裂工具發展淺析[J].中國石油勘探，2015(2)：75-81.

[7] 魏遼，馬蘭榮，朱敏濤，等.大通徑橋塞壓裂用可溶解球研制及性能評價[J].石油鉆探技術，2016(1)：90-94.

[8] 陳海力，鄧素芬，王琳，等.免鉆磨大通徑橋塞技術在頁巖氣水平井分段改造中的應用[J].鉆采工藝，2016(2)：123-125.

[9] 陳海力，鄧素芬，王琳，等.蜀南地區儲層分段改造技術新進展及應用[J].鉆采工藝，2015(5)：52-54.

Development and Application Status of Non Drilling Type Bridge Plug with Large Internal Diameter

LI Pengfei，LIU Xuhui，WANG Jie

(CollegeofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China)

Staged fracturing of plug-and-perforate is the main technical mean for shale gas development at home and abroad.In order to ensure the smooth flow of oil and gas in later stage，we need to drill bridge plug using coiled tubing milling tool.There are problems such as take longer，high cost，and easy to stick.Developing non drilling type bridge plug with large internal diameter to replace composite plug can deal with the problems.The domestic and foreign development and application status of large internal diameter plug and introducing the structure，principle，technical features，specifications and performance parameters and field application are investigating.The main problems and development trend analyzed and suggestions on developing large internal diameter plug are given.

bridge plug；development；application

2016-05-18

長江大學油氣鉆完井工具研究中心2015年度創新基金：稠油熱采雙管封隔器關鍵問題研究(DCT201501)

李鵬飛(1989-)，男，河南周口市人，碩士研究生，研究方向：石油井下工具的設計、研究、診斷及模擬仿真，E-mail：1804338069@qq.com。

1001-3482(2016)11-0093-05

TE934.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.020