一種新型可溶解橋塞的研究與應用

紀 松

（中國石化華東石油工程有限公司測井分公司，江蘇揚州225000）

油田開發(fā)過程中，橋塞作為一種臨時性的井下封堵工具被廣泛應用，根據(jù)作業(yè)目的不同，橋塞會被取出、鉆磨或溶解，以使井筒暢通［1］。常規(guī)復合可溶解橋塞入井后，受井內溫度和壓井液礦化度的影響逐漸溶解，在井內坐封有效時間一般在24 h 以內，無法滿足特殊井況下長時間井筒作業(yè)的需求［2］。因此，研發(fā)一種新型的可控制溶解的橋塞，既滿足長時間坐封，又可快速溶解，以實現(xiàn)井筒暢通的目的。

1 新型可溶解復合橋塞的研究

選擇三種熱擠壓成形的復合材料，分別對其力學性能、降解性能進行對比研究，最終確定新型橋塞的制作材料。

1.1 橋塞制作材料

復合材料橋塞主體為Mg 合金，制備A、B、C 三種Mg合金材料進行對比（見表1）。

表1 Mg合金材料各組分質量分數(shù) %

復合材料加工采用電磁攪拌熔煉工藝，740℃精煉2 h，680～700℃澆注，通過4 000 t擠壓機慢速擠壓成?120 mm 的圓棒，最后經(jīng)過機加工成為所需橋塞元件。圓棒半徑中心位置取力學性能與溶解測試試樣，在室溫作用下用萬能拉伸機進行力學性能測試［3］，每種材料取3個試樣，最后數(shù)據(jù)取平均值。

1.1.1 橋塞復合材料力學性能

室溫條件下分別對材料A、B、C 進行力學性能試驗，研究抗拉強度、屈服強度與材料組分的關系［4］，三種材料室溫力學性能曲線如圖1 所示，力學性能數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 三種合金的室溫力學性能

表2 不同成分合金的室溫力學性能數(shù)據(jù)

由圖1 和表2 中可以看出，Cu 含量的影響比Ni更為顯著，隨著Cu 的增加，抗拉強度、屈服強度增加，伸長率均下降，而Ni 變化時，抗拉強度、屈服強度和伸長率變化較小。細晶強化和析出強化是Mg合金強度提高的主要手段，由于Cu 含量的增加，析出大量第二相，強化基體，強度增加。A材料相較于粉末冶金成形合金延伸率更好，加工成本更低。

1.1.2 橋塞復合材料溶解性能

制備三種不同的溶液，Cl-質量濃度分別為為5 000 mg/L（溶液1）、15 000 mg/L（溶液2）、0 mg/L（即清水，溶液3）；將A、B、C 三種材料試樣分別置入三種溶液，置入溶液1 的試樣定義為A1、B1、C1，置入溶液2 的試樣定義為A2、B2、C2，置入溶液3的試樣定義為A3、B3、C3。在90℃下進行溶解測試（見圖2），三種溶液中試樣的平均溶解速率見表3。

圖2 各試樣在不同質量濃度溶液中的溶解曲線

表3 試樣在3種溶液中的溶解數(shù)據(jù)

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，溶液質量濃度對合金的溶解速率有明顯的影響，Cl-質量濃度越高，溶解速度越高，在Cl-質量濃度為15 000 mg/L 的溶液中溶解最快，而在清水中試樣基本不溶解。溶解試驗可以看出，不同合金組分對溶解速率有影響，Cu、Ni元素都是促進溶解速率的元素，Cu 的影響較大。因此，可以通過調節(jié)Cu、Ni質量分數(shù)來調節(jié)溶解速度，同時也可調節(jié)材料的力學性能。

1.2 橋塞產(chǎn)品

根據(jù)上述研究對比，選定A 為加工橋塞產(chǎn)品的材料，既可達到所需抗拉強度和屈服強度，又能滿足溶解條件可控的要求。

1.2.1 橋塞樣品的設計及制作

橋塞主要由推筒套、卡瓦座、卡瓦、錐體、膠筒、導向密封頭等組成（見圖3）。坐封時，推筒套固定，緊緊頂住第一卡瓦座。上提拉桿，固定銷被剪斷，且?guī)訅簤K上拉中心管上行，導向密封頭隨中心管上行壓縮膠筒，同時推動第一卡瓦和第二卡瓦分運動，卡瓦外徑擴大至套管內壁處，即與套管內壁接觸咬合，此時橋塞固定在套管上完成坐封［4-7］。

圖3 橋塞結構

1.2.2 橋塞樣品的壓力試驗

制成的橋塞樣品適用于139.7 mm 套管，坐封力17.8 t，采用貝克20#坐封工具進行坐封，測試環(huán)境為85℃的清水溶液［5］。測試方案為坐封后分別從上端和下端打壓35 MPa，測試穩(wěn)壓性能，如穩(wěn)壓正常，卸掉壓力后在85℃清水中浸泡64 h，再分別從上下端打壓35 MPa，測試穩(wěn)壓性能［3］（見表4）。

表4 橋塞樣品承壓測試數(shù)據(jù)

從壓力下降數(shù)據(jù)可以看出，壓降均保持在-5%以內，整個過程中壓降比在允許范圍內，壓力不降無泄漏，地面承壓試驗合格，A材料制作的橋塞的各項指標均能達到設計要求。

2 現(xiàn)場應用

2.1 應用井況

C3P13 井是一口水平井，人工井底3 065 m，套管內徑124.3 mm，水平段從1 751.55 m 開始造斜，井溫在90℃左右，射孔井段2 773～3 025 m。該井2018年4 月作業(yè)時發(fā)現(xiàn)2 360.5～2 737 m 破漏，由于破漏段較長，采用懸掛小套管工藝進行修井作業(yè)，在射孔段上部進行橋塞臨時封堵，修井結束后對橋塞進行注液溶解［6］。

2.2 應用效果

該井下入A 材料制作的橋塞對射孔層段以上進行卡封，在橋塞以上進行懸掛小套管固井完井，保護了水平段射孔層。橋塞座封位置為2 700 m，錨定可靠，密封良好，最大工作壓差45 MPa，在22天的修井施工期間性能穩(wěn)定。作業(yè)結束后下入6 m3醋酸［6］，替代氯化鉀溶液燜井助溶兩天，橋塞即開始溶解、失封，橋塞溶解效果可控。溶解3天后進行抽吸出油，最高日產(chǎn)油達到11 t，橋塞密封性和溶解可控性達到預期效果。

3 結論

（1）制備了三種合金材料，經(jīng)過實驗研究，掌握了材料各組分的質量分數(shù)與合金的力學性能及溶解性能的關系，優(yōu)選出A材料為制造橋塞的合金。

（2）研發(fā)的橋塞各項性能指標滿足現(xiàn)場使用需要，操作簡便，與傳統(tǒng)橋塞坐封工具兼容，通用性好。

（3）該類橋塞可以根據(jù)現(xiàn)場井況靈活控制溶解條件，非常適合長期坐封井筒的作業(yè)，并可避免鉆塞的風險，降低費用。