對可溶壓裂橋塞設計的建議

胡英才， 王衛明， 楊康敏， 范喜群， 張景輝， 胡 亮,馬 海

(1河南油田分公司石油工程技術研究院 2中石化石油工程技術研究院 3河南油田分公司)

0 引言

水平井分段壓裂是美國頁巖氣成功的核心技術支撐之一。而泵送橋塞射孔聯作工藝則是實現水平井分段壓裂最常用的工藝之一。該工藝初期使用的核心工具是復合材料可鉆橋塞[1]，與常規鑄鐵類可鉆橋塞相比，橋塞鉆除時間從8～24 h縮短到了0.3～1 h，鉆屑密度從6.6～7.3 g/cm3降低到了1.2～1.6 g/cm3，具備了壓后鉆除求產快，可利用低密度液體循環鉆屑，對地層傷害小等優點[1]。但隨著現場應用的增多，發現了該工藝存在的兩大問題：

(1)當水平井單井橋塞數量超過13～15只以上時，由于鉆頭磨損，水平井段鉆屑殘留過多等原因，通常一趟鉆難以將所有復合橋塞鉆完，需要進行起下鉆作業。而在起下鉆過程中，水平井段鉆屑可能出現堆積，導致后續鉆塞管柱下入遇阻而無法順利將剩余橋塞鉆除。

(2)由于地層應力分布的復雜性，加之需經歷多簇多段的射孔和高壓力、大規模的壓裂施工，常有水平井在壓裂中或壓裂后出現套管變形，無法完成壓后鉆塞求產。

因此，國內外對該工藝展開了進一步研究，其核心工具逐步由原來的復合材料可鉆橋塞升級為了可溶材料免鉆壓裂橋塞。

1 兩種可溶壓裂橋塞簡介

1.1 組成及原理

現在對兩種常見可溶橋塞的組成和原理來進行分析[2]。

A類全可溶橋塞主要由上接頭、中心管、密封件、錐體、整體卡瓦、導向頭等組成(見圖1)。采用單錐體、單卡瓦的設計思路，所有零件均可溶。

圖1 A類全可溶橋塞結構示意圖

B類可溶橋塞主要由中心管、坐封壓環、密封件、錐體、分瓣卡瓦及箍環、導向頭等組成(見圖2)。采用雙錐體、雙卡瓦的設計思路。該橋塞分瓣卡瓦上的卡瓦牙為硬質合金或陶瓷材料，不可溶，其它零件均可溶。

圖2 B類可溶壓裂橋塞結構示意圖

工作原理：可溶橋塞隨電纜坐封工具下入井中，靠泵送達到設計深度，通過地面電點火引燃電纜坐封工具中的火藥，提供能量實現壓裂橋塞的坐封和丟手。

1.2 技術優勢

采用可溶壓裂橋塞后，泵送橋塞射孔聯作工藝在以前一趟管柱可以完成橋塞下入、坐封、丟手和多級射孔、分段級數不受限制等基礎上，又增加了無需鉆塞這一優點。無需鉆塞作業節省了橋塞鉆磨帶來的時間和成本；避免了套管變形后無法進行鉆塞投產的風險；不必考慮連續油管下深能力限制，因而產層可鉆更長的水平段；使連續油管設備難以到達的偏遠油氣田的開發成為可能。

1.3 關鍵產品參數

兩種可溶橋塞的關鍵參數見表1。

表1 兩種可溶橋塞關鍵產品參數

2 可溶橋塞設計原則分析

可溶橋塞類工具的設計原則滿足“下得去”、“坐得住”、“丟得開”和“溶得掉”四大關鍵點。

2.1 從“下得去”角度分析可溶橋塞壓裂的設計

(1)最大外徑要和套管內徑匹配，從表1可以看出，為了能夠保證其順利入井，最大外徑設計為111.0～111.1 mm，保證了在最小內徑118.6 mm的套管內仍能順利下入。

(2)為保證在水平井中可靠下入，其密封件、錐體和卡瓦這三個零件的最大外徑通常要設計得比橋塞的最大外徑小1～2 mm，避免其因與套管的摩擦力而提前運動，出現誤坐封。

(3)為避免可溶壓裂橋塞在未下入到設計深度時誤坐封，還需保證坐封工具的推筒不會因井下某些誘發因素而提前運動。通常，需在坐封工具的推筒上設計防誤坐封銷釘。

(4)可溶壓裂橋塞在入井過程中，導向頭還可能突然遇到意外的阻力，如撞擊液面、遇到水平砂堤等。為此，在設計時一方面要避免將導向頭的受力直接傳遞給卡瓦；另一方面，卡瓦不能過于容易張開，降低對這種干擾力的敏感性。

2.2 從“坐得住”角度分析可溶橋塞壓裂的設計

(1)要保障橋塞“坐得住”，除了密封材料的性能外，還必須要將膠筒的壓縮距保持好，避免膠筒回彈。因此，需要卡瓦牙足夠硬，能夠錨定在施工井的套管上(例：非常規水平井常用的P110鋼級套管硬度在HRC40以上)。

(2)要求卡瓦的設計必須能同時約束橋塞膠筒向兩端的回彈[3- 4]。

為此，A類全可溶橋塞設計了如圖3所示的整體卡瓦，采用鎳基合金涂層技術(0.25～0.38 mm粒徑)，卡瓦表面的高硬度合金，保證了卡瓦在套管上的錨定能力。但由于其只在膠筒的一端設計了卡瓦，錐體外表面的前端和整體卡瓦內表面的根端之間，還需設計自鎖機構配合卡瓦約束橋塞膠筒兩端的回彈。

圖3 A類全可溶橋塞的整體卡瓦

B類可溶橋塞的卡瓦，采用高硬度的陶瓷或硬質合金錨牙實現對套管的錨定。對稱設置的兩個卡瓦約束了橋塞膠筒兩端的回彈，因此不必再設計自鎖機構。

2.3 從“丟得開”角度分析可溶橋塞壓裂的設計

為保證可溶壓裂橋塞在井下“丟得開”，必須充分考慮兩點[5]：

(1)坐封工具與可溶壓裂橋塞必須有兩個接觸點，才能形成一推、一拉的成對作用力，保證橋塞坐封[4]。

(2)在下井過程中，坐封工具還必須保證與橋塞的可靠連接，防止橋塞中途掉井。

為此，A類全可溶橋塞設計了如圖4中的“2坐封工具推筒”對橋塞輸出坐封推力，“10坐封工具棘爪”輸出拉力。在橋塞下井過程中，由于“10坐封工具棘爪”內部有“7坐封工具支撐芯軸”的支撐作用，保證了坐封工具和橋塞的可靠連接。但當橋塞卡瓦錨定在套管上后，隨著坐封力的繼續輸出，“7坐封工具支撐芯軸”將向后運動(遠離橋塞)，失去對“10坐封工具棘爪”的支撐，使其從橋塞導向頭的凹槽中釋放出來，隨著“7坐封工具支撐芯軸”一起向后運動，自此橋塞與坐封工具脫開，實現丟手。

圖4 A類全可溶橋塞與坐封機構組裝示意圖

B類可溶橋塞設計了如圖5中的“2坐封工具推筒”對橋塞輸出坐封推力，“3坐封工具轉換接頭”輸出拉力。在橋塞下井過程中，靠“3坐封工具轉換接頭”通過“5剪切銷釘”實現與“4橋塞上接頭”可靠連接。當橋塞卡瓦錨定在套管上后，隨著坐封力的繼續輸出，“3坐封工具轉換接頭”將剪斷“5剪切銷釘”，向后運動(遠離橋塞)，自此橋塞與坐封工具脫開，實現丟手。

圖5 B類可溶橋塞與坐封機構組裝示意圖

2.4 從“溶得掉”角度分析可溶橋塞壓裂的設計

可溶壓裂橋塞為滿足“溶得掉”要求，在設計時必須充分考慮兩點[6- 7]：

(1)橋塞的主體材料在壓裂施工后，需能夠溶解，從而實現不用下鉆塞管柱就可快速求產。

(2)橋塞的溶解時間必須可控，從而保證在橋塞下入和施工過程中，橋塞不會溶解甚至是橋塞的強度不會下降到工作指標以下。

為此，可溶橋塞金屬件的一種解決方案是采用鋁鎂基的合金材料，壓裂時強度穩定，暴露在含有氯離子的返排液中開始溶解。從圖6可以看出，在某井的返排液中，在100～105 ℃的溫度環境下，經過9 d后，采用J- 105金屬材料A類可溶橋塞基本完全溶解。

關于橋塞溶解時間的控制，一種解決方案是通過調節包覆材料來控制溶解時間;一種方案是直接調整鋁鎂合金中各元素的配方來控制溶解時間。

可溶橋塞一般采取可降解的聚氨酯材料作為密封件，靠調整材料配方來控制其溶解時間。

可溶橋塞的卡瓦牙，基本上都選用非可溶材料，但可通過采用鎳基合金涂層技術在可溶材料表面形成高硬涂層，或用陶瓷或硬質合金制成錨柱鑲嵌在卡瓦主體上，減少非可溶材料的用量。

圖6 A類可溶壓裂橋塞用J- 105材料在某井返排液中的溶解曲線(100～105 ℃)

3 與其他類橋塞設計差別與特點

目前在石油行業，根據工藝需求的不同，橋塞類工具從用途上大致分為堵水用橋塞、暫堵或永久性封堵用橋塞、化學劑擠注用橋塞和壓裂用橋塞。從解封方式上可分為永久留井不需解封型、打撈解封型、鉆磨解封型和可溶解封型。從橋塞使用材料上可分為普通金屬類橋塞、可鉆金屬類橋塞、非金屬復合材料類橋塞和可溶材料類橋塞。可溶橋塞由于其工藝目的、解封原理及使用材質的不同，與其他類型橋塞相比，在設計上也具有明顯的差別與特點[8- 15]。

(1)可溶橋塞因可自動溶解實現解封，無需設計解封機構。

(2)為節省可溶材料，可溶橋塞坐封和丟手機構一般設計在坐封工具上，坐封工具可重復使用。

(3)可溶橋塞若采用雙向卡瓦，可不設計自鎖機構，若采用單向卡瓦，必須設計自鎖機構。

(4)可溶橋塞卡瓦本體常采用可溶材料，錨牙、錨柱或齒面常采用高強度材料，保證錨定強度。

(5)可溶橋塞膠筒須選用可溶耐溫耐油材料。

4 結論

(1)用可溶材料制成壓裂橋塞，實現了壓后不用鉆塞，但必須采取材料元素設計或表面包覆層設計來控制溶解時間。

(2)可溶橋塞設計了獨立的坐封工具，簡化了橋塞本體結構，縮短了本體的長度，減少了昂貴的可溶金屬的用量，還可實現坐封工具的反復使用，降低了成本。

(3)可溶橋塞的卡瓦在坐封和壓裂過程中要“錨的住”，在壓裂后又要“好移除”，為此將起錨定作用的錨柱或卡瓦表面設計為高硬材料，將卡瓦本體設計為可溶材料，最大程度減少了非可溶材料的用量及留井碎屑的尺寸和數量。

(4)通過對兩種常見的可溶橋塞結構和設計思路的分析，以及與其他類橋塞的對比，指明了一些設計的關鍵點和原則問題，為橋塞類井下工具的設計提供了思路，具有一定參考價值。