壓裂用可溶橋塞關鍵技術分析

朱正喜

(中國石油長城鉆探工程有限公司 壓裂公司，遼寧 盤錦 124010)

頁巖氣勘探開發的關鍵技術、裝備的創新與突破，已成為國內石油公司實現頁巖氣經濟有效開發的關鍵任務[1-3]。橋塞工具作為頁巖氣分段壓裂改造的主體工具，在北美超過85%的頁巖氣井中使用，而國內頁巖氣井則全部采用橋塞工具進行壓裂施工。

相比較速鉆橋塞、大通徑橋塞，可溶橋塞在壓后一定時間內，橋塞本體和膠筒等自行溶解，實現全通徑管柱生產，具有綜合成本低、投產時間短、降低作業風險以及可實現二次改造的優點[4-6]。2016—2017年，國內各大頁巖氣區塊從局部井段試驗應用可溶橋塞、擴展到全井段應用。從現場應用來看，國內應用可溶橋塞基本依賴進口，成本高昂，且未達到完全可溶。開展國產可溶橋塞工具的研制，有利于降低國內頁巖氣儲層改造成本，提高改造效果。

對可溶橋塞工具的總體要求是“下到位、丟得開、密封嚴、全溶解”，即，要求可溶橋塞滿足常規壓裂施工，且施工結束后一段時間內，橋塞能在井液中自行溶解和返排，無需人工干預而獲得全通徑井眼，利于進行生產。

1 國內外可溶橋塞性能對比

1) 貝克休斯公司。SPECTRE可溶橋塞的本體由高強度的電解納米金屬材料(CEM)制成，膠筒材質為聚氨酯，單卡瓦結構，卡瓦表面鎳基合金涂層，溶解速率與礦化度和溫度相關，膠筒和卡瓦涂層溶解后呈細小碎片，可返排出井筒(如圖1)。在北美油田使用超過500只，在中國吉林油田、四川頁巖氣等區塊應用超過100只。

圖1 貝克休斯公司SPECTRE可溶橋塞

2) 哈里伯頓公司。ILLUSION可溶性橋塞的卡瓦鑲嵌陶瓷粒，如圖2所示。經室內試驗測試，在井溫95 ℃、KCL質量分數為3%時，橋塞溶解時間為17 d。該橋塞在Eagle Ford, Bakken,和Woodford區塊成功應用，在中國吐哈油田、四川頁巖氣田等也有應用。

圖2 哈里伯頓公司ILLUSION可溶橋塞

3) MAGNUM公司。第三代MVP可溶橋塞如圖3所示，單膠筒無背環，整體卡瓦鑲嵌卡瓦牙顆粒，熱塑性高分子生物降解材料，溶解率98%。膠筒在溶解后經液體沖擊呈碎粒狀，易返排，在浙江頁巖氣區塊大量應用。

圖3 Magnum公司MVP可溶橋塞

4) 斯倫貝謝公司。INFINITY可溶球座如圖4所示，外徑111.5 mm，無橡膠件，需要預制接球座套管短節，溶解率99.7%。在美國多個非常規油氣藏進行了應用，使用數量超過250只。

圖4 斯倫貝謝公司INFINITY可溶球座

5) 中石油勘探院。從2015年立項研發，三膠筒帶整體背環結構，分瓣卡瓦鑲嵌預制破片，可在一定的溫度和壓力下崩解成碎片，易于返排。針對四川頁巖氣田，形成了?85、?95 mm兩種規格的可溶橋塞，如圖5所示。在國內各個頁巖氣區塊都有應用。

圖5 中石油勘探院可溶球座

國內外可溶橋塞的技術參數及現場施工情況如表1所示。

根據表1數據，中石油勘探院研制的可溶橋塞的外徑最小，下入性能優于國外的橋塞。通過現場試驗，國內外的可溶橋塞均未能滿足全可溶的要求，需要連續油管帶磨鞋通井。

2 關鍵技術分析

2.1 工作時效

無論是基于鎂基、鋁基可溶金屬，還是高分子熱塑材料的可溶橋塞，都可以通過調整配方來達到調節溶解速率的目的。早期的研究中，關注較多的是能否達到溶解的要求，認為溶解的越快越好。隨著研究的深入，發現可溶橋塞的使用有諸多限制，例如橋塞入井后就必需壓裂施工，若在井中停留一夜，可能造成橋塞溶解過多而降低橋塞壓裂時承壓性能。若使用慢溶的材料，達不到油田甲方要求壓后快速投產的需求，通常需要連續油管鉆磨橋塞，增加費用和風險。

表1 國內外可溶橋塞參數對比

因此，若采取速溶材料，橋塞入井至壓裂的時間間隔就較短，總體溶解時間也較短。相反，若采取慢溶材料，橋塞入井至壓裂的時間間隔就可以很長，隨之總體溶解時間越長。為使橋塞入井至壓裂的時間間隔滿足下橋塞及壓裂施工需求，且總體溶解時間達到油田甲方的要求，提出了可溶橋塞的“工作時效”這一概念。工作時效為橋塞入井至壓裂的時間間隔，按照現有的頁巖氣施工模式，可溶橋塞的工作時效為24 h，可以滿足頁巖氣井現場施工的需要，即，從可溶橋塞入井時開始計算，24 h內都可以進行壓裂施工。任何針對可溶橋塞的性能測試均可參照24 h的工作時效進行。

2.2 卡瓦表面處理

針對四川頁巖氣井，耐壓差70 MPa的可溶橋塞的卡瓦需具有740 kN的錨定力。由于可溶材料的強度遠低于石油管材，且熔點低，無法通過熱處理來提高表面硬度，因此，通常采用在可溶材料表面復合一層硬質顆粒來提高表面硬度。

依照施工現場對橋塞全可溶的要求，需要復合的硬質顆粒達到隨液體全部返排出來的性能，即，密度低，顆粒小。目前，貝克休斯的鎳基合金涂層卡瓦(如圖6a)，厚度0.25 ～ 0.38 mm。鎳基合金在返排液環境中逐漸降解剝落，形成6～25 mm的條狀碎片(如圖6b)，隨返排返回地面，不影響返排和生產。中石油勘探院的預制破片卡瓦(如圖7a)，確保橋塞承壓可靠、壓后自行破碎成幾毫米碎片(如圖7b)。

a 卡瓦實物

b 溶解后的卡瓦碎片

2.3 卡瓦破碎力

在下橋塞施工中，橋塞主要承受射孔槍串的重力，以及下入時槍串擺動而撞擊井壁的橫向沖擊力[7-10]。在一些極限狀態下，例如槍串遇卡等，橋塞上面的部件需承受較大的軸向力，確保槍串拉斷時橋塞也不被破壞。

a 卡瓦實物

b 溶解后的卡瓦碎片

因此，需設計一些抗沖擊的安全結構，保障橋塞下入安全。卡瓦是橋塞結構中最容易受破壞的部件，結構型式有帶預應力槽的整體卡瓦、或帶箍環的分瓣式卡瓦，既要滿足橋塞坐封時卡瓦比較容易張開，又要保證在下橋塞時遇異常情況下卡瓦不要張開。

合理設置卡瓦的張開力，其安全的下限值是電纜的拉斷力值，推薦25 kN。

2.4 可溶膠筒

可溶膠筒需要在壓裂時密封井筒，以及壓后一段時間內溶解并返排出井筒。現有的可溶膠筒材料按照溶解原理可分為水溶橡膠和降解式橡膠，溶解與溫度相關。從溶解物來看，水溶膠筒的溶解物呈泥狀、無強度(如圖8)，而降解式膠筒的溶解物為膠筒碎片(如圖9)。因此，前者的溶解性能要優于后者，但是后者的強度要優于前者。

圖9 降解式膠筒施工后殘留物

在膠筒配方調整中，需要重點考慮膠筒的工作時效，避免橋塞失封。室內試驗時，常測取膠筒試樣浸泡前后的拉斷強度，并對比分析判斷該膠筒配方是否符合要求。有廠家在膠筒表面設計了特殊的防水涂層，例如貝克休斯和中石油勘探院等。另外，雖然通過添加一些纖維等增強膠筒強度，但是浸泡后膠筒的擠出效應還是很明顯，需要設計合理的背環。

2.5 下接頭結構設計

早期在可溶橋塞的設計中考慮了鉆磨結構，例如上下接頭的斜面，卡瓦與錐體的互卡機構等。隨著可溶橋塞的應用增多，熟悉了各項性能，針對異常情況處理也有了很多手段，鉆磨結構就成為了非必需。

此外，由于可溶材料的強度較低，本體容易磨損，帶來卡瓦等直接受力的風險。特別是在一些高溫高礦化度井中，溶解速度過快。因此，有針對性做一些下接頭的防磨處理，常見c后者加裝可溶性膠環等。

圖10 下接頭鉆磨斜面

圖11 下接頭過流通道

下接頭結構設計中，為便于井液流通和離子交換，還需要考慮過流通道結構，防止上層的壓裂球堵塞返排通道。

3 結論

1) 可溶橋塞是近年來興起的一種分段壓裂工具。從現場應用來看，國內應用可溶橋塞基本依賴進口，成本高昂，且未達到完全可溶。開展國產可溶橋塞的研制，有利于降低國內頁巖氣儲層改造成本，提高技術的適用性，滿足國內頁巖氣井施工需要。

2) 針對可溶橋塞的溶解性和下入后多長時間內可保障壓裂施工的矛盾問題，提出了 “工作時效”這一概念，指橋塞入井至壓裂的時間間隔。按照現有的頁巖氣施工模式，認為可溶橋塞的工作時效為24 h，可以滿足頁巖氣井現場施工的需要，即，從可溶橋塞入井時開始計算，24 h內都可以進行壓裂施工。

3) 可溶卡瓦是可溶橋塞中的關鍵組件，在卡瓦表面復合一層硬質顆粒，可提高卡瓦表面硬度。為達到卡瓦全可溶的要求，需要硬質顆粒密度低、顆粒小，代表的有貝克休斯的鎳基合金涂層卡瓦和中石油勘探院的預制破片卡瓦。

4) 合理設計卡瓦破碎力是保障橋塞安全下入的關鍵因素，推薦值25 kN。

5) 可溶膠筒的技術關鍵在于膠筒的工作時效，需要測取膠筒試樣在浸泡前后的拉斷強度。膠筒密封組件設計需要考慮擠壓破壞。

6) 下接頭結構設計中需重點考慮返排的過流通道及耐磨性能。