橋塞技術的發展歷程及現狀分析

劉 奔

(中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 102200)

頁巖氣等非常規油氣藏通常在儲層接觸面積增大時變得經濟，多級水力壓裂是增加儲層接觸面最成功、最經濟的方法之一。致密地層水平井壓裂需要隔離不同位置的裂縫區域，并將流體引入下一個壓裂層位[1-2]。橋塞與射孔聯作技術是進行水力壓裂最有效的方法之一，其利用橋塞來封隔井筒內的下層，使用射孔槍射開橋塞上部套管，實現對上一層段的壓裂。這一技術有各段之間隔離可靠、現場施工操作簡單、可進行分層試油，施工規模大，分層級數不受限制等優勢。

自1949年水力壓裂技術實現了商業規模以來，其工藝技術得到了長足的發展，而作為其施工中重要的層間封隔工具——橋塞[3-5]，也隨著壓裂工藝的更新而與其交替前進，相互影響，從最初的可回收橋塞到可鉆橋塞，再到可溶橋塞，其封隔性能及工藝的可靠性逐步提升，對油氣井的影響越來越小，施工效率也更高。

本文以水力壓裂完井為需求，論述了橋塞隨其工藝技術的進步更新而不斷發展的過程，并以哈里伯頓、斯倫貝謝和威德福的橋塞為例，詳述了橋塞的結構特點與發展趨勢，處在蓬勃發展的道路上，可溶橋塞與傳統的復合橋塞都在向著大通徑、小型化的方向發展，在水平井分段壓裂中發揮著重要作用。

1 可鉆橋塞

最早用于層間封隔的橋塞是可回收的[6]，作業完成之后會用專門的工具取出橋塞，然而在壓裂完成之后，殘留在井筒中的砂子經常會卡進可回收橋塞里面，從而使可回收橋塞解封困難。一種用于廢棄井的封隔和處理固井施工過程中問題的層間封隔工具被引入用來壓裂過程中的層間封隔，這種永久性入井的封隔工具由于無需回收利用，可以簡化掉回收機構，減少了零件個數，降低了橋塞設計的復雜性，極大地降低了臨時封堵的作業成本和風險。

1.1 可鉆金屬橋塞

與棄井中的永久層間封隔工具作業不同，應用于壓裂過程中的橋塞在井筒作業完成后需要去除，用于反排、生產以及后續的作業。為了實現全井筒的暢通，在壓裂施工完成后需下一趟鉆，將井筒中所有的橋塞磨銑掉，因此相比于可回收橋塞反復坐封和解封來實現層間封隔，采用一次性可鉆橋塞，無需反復坐掛，不僅降低了時間成本，而且還避免了多次坐封膠筒帶來的可靠性問題，完井效率大幅提高。

磨銑作業的時間和經濟成本成為一次性橋塞首先需要考慮的問題。為了便于磨銑，這種橋塞最早采用可鍛鑄材料制成的，如鑄鐵、鋁、鎂和黃銅。鎂和鋁材料需要涂層來減少井筒內流體的腐蝕，而黃銅由于其磨屑的粘性降低了磨銑效率。鑄鐵具有高強度、低成本、良好的銑削性能和成熟的工藝，因此最終應用于一次性使用橋塞。圖1為哈里伯頓鑄鐵材質的橋塞，磨銑一個鑄鐵橋塞理論時間大約為1.5～2.0 h。

圖1 哈里伯頓可鉆鑄鐵橋塞

隨著壓裂技術的進步以及水平井的應用普及，井筒需要壓裂的段數也越來越多，鑄鐵橋塞的問題開始凸顯。在鉆磨過程中，當錐體卡瓦松弛，橋塞剩余部分會落入下一個橋塞上，這樣較大的鑄鐵橋塞殘留將使下一個橋塞很難鉆磨，而且由于鑄鐵材料密度較大，鉆磨的碎屑也不利于循環排出。全井橋塞越多，鉆磨難度越大，極端情況下還可能出現油管卡死、需要打撈，其作業效率很低。例如，早期應用于煤層氣直井壓裂的鑄鐵材質橋塞，鉆除頂部橋塞用時2 h，頂部橋塞卡瓦脫落后部分鑄鐵落到下一個橋塞頂部，這樣導致下一層位的壓裂砂很難循環出井筒，降低了磨銑效率。處在層間的橋塞都存在這一問題，從而使層間橋塞需要12 h鉆除，甚至更多。在一次現場作業中，為了鉆除鑄鐵橋塞，整個井場耽誤了8 d時間[7]。在水平井中，鑄鐵橋塞的重力優勢也成為了劣勢，因為較重的橋塞在水平井中摩擦力增大，使泵送困難，更不用說磨銑了。

1.2 可鉆復合橋塞

為了解決鑄鐵橋塞在水平井壓裂發展過程中的應用局限性，工程師們開始在橋塞結構和材料上進行優化，一種采用復合材料制造的橋塞應運而生[7-8]，其泵送性和可鉆性遠超鑄鐵材料。復合材料一般是由基體材料和增強劑復合而成，高分子材料是最常用的基體材料，而增強劑為玻璃纖維、碳纖維碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維等[9]，應用于橋塞上的材料一般為樹脂基復合材料，其采用環氧樹脂加玻璃纖維[10-11]，可鉆性強，磨銑后的碎屑尺寸小，容易循環帶出地面，不會像金屬碎屑那樣發生沉淀。

為了加快設計流程，盡快滿足現場的應用需求，從最早的鑄鐵到復合材料的橋塞，其結構與坐封原理基本相同，圖2為哈里伯頓Fas Drill復合橋塞，與圖1中鑄鐵材料橋塞結構非常相似，這種采用上下2個卡瓦組實現雙向坐掛，采用三膠筒實現層間密封的結構是經典的橋塞設計，其施工工藝為將橋塞連接在坐封工具上，一同泵送到井筒中指定位置。采用液壓或火藥坐封橋塞時，中心桿推動上下2個卡瓦沿著各自的錐體向上滑動，并壓縮膠筒向徑向膨脹。當卡瓦坐掛和膠筒坐封完成后，坐封工具對橋塞丟手，取出上部管串，由于其中心桿上開有一通孔，壓裂前還需要從井口投入壓裂球封堵中心桿上孔眼實現層間隔離。然后進行壓裂施工，重復這一操作，可完成多段的壓裂施工，最后待橋塞施工結束后，下鉆磨工具磨銑橋塞。當橋塞上部卡瓦被鉆穿時，頂端的楔形體會掉入或被推入到下一層橋塞的頂部卡住，便于繼續鉆磨，磨銑一個復合橋塞的時間可以控制在30 min以內[12-14]，當全井筒橋塞全部清除后，可實現反排和回采油氣。

圖2 哈里伯頓Fas Drill復合橋塞

早期的橋塞中心桿上并沒有通孔，如圖1中橋塞的中心桿上部是實心結構，其坐封丟手后，可以直接壓裂[15]。圖2中的橋塞與早期的鑄鐵橋塞最大改進是在芯軸上開有通孔，這樣在壓裂完成能夠盡快反排，以減小對儲層的傷害。在可溶材料應用到石油行業之前，投入的壓裂球主要是高分子聚合物材質，這樣在反排過程中，所有壓裂球被頂到上一級橋塞底端，由于橋塞底部開有側孔，壓裂球不會封堵住過流通道，從而實現快速反排，但后期進行生產作業時，仍需鉆掉所有橋塞。

在提高磨銑效率方面，除了采用磨銑效率更高的復合材料外，縮小橋塞的體積減少材料用量也是工程師們重要的研究的方向。在改進橋塞結構方面，各大油服公司也是各顯神通，圖3為哈里伯頓微型復合橋塞，是前代Fas Drill復合橋塞的微型版，通過優化中心桿與膠筒結構，減小橋塞長度，139.7 mm(5英寸)的Fas Drill復合橋塞優化后的長度從850. 6 mm縮減到545.8 mm，長度縮小了近36%，但其同樣能夠保證69 MPa(10 000 psi)的封隔壓力。

圖3 哈里伯頓Fas Drill微型復合橋塞

斯倫貝謝也研發出了微型的易鉆復合橋塞FracXion，如圖4所示，139.7 mm(5英寸)的FracXion橋塞長度僅有415 mm，同樣能保證在135 ℃下69 MPa(10000 psi)的封隔能力。為了提高磨銑效率，斯倫貝謝還將橋塞的錨定牙改為中空的金屬或陶瓷結構。圖5中所示的威德福2018年發布的minima復合橋塞，其由一個復合材料本體、復合材料卡瓦、丁腈橡膠(NBR)彈性體和鑄鐵卡瓦和金屬粉末球齒組成[16]，139.7 mm(5英寸)的minima橋塞長度最短的達到了304.8 mm，整個橋塞在井下鉆除只需要5 min。

圖4 斯倫貝謝 FracXion微型復合橋塞

圖5 威德福minima復合橋塞

2 可溶橋塞

隨著深井、超深井的開發，采用連續油管磨銑作業也有其局限性，在連續油管無法達到的深層壓裂作業，復合橋塞的清除是一個問題，磨銑過程也可能會對壓裂的儲層有一定影響，深井的井眼偏差和復雜性也會增加卡鉆的風險，降低磨銑的效率。

2.1 可溶材料

為了尋找一種既能滿足現場作業的壓力和溫度要求，又能在生產開始后很快分解的材料，研究人員對大量材料進行了分析。主要挑戰是尋找具有必要力學性能的可溶材料，控制其在井底條件下的溶解時間，同時保證增產作業所需的工作時間。起初，可降解高分子復合材料(主要為PGA)被考慮，但在低于66 ℃的井中幾乎無法溶解，且材料的強度低于要求而最終被否定[17]。后來，研究者轉向了金屬系列，2010年國外開始出現的可溶合金材料是一個革命性的創新，研制出的特殊合金具有所需的物理強度和化學性能，并且在各種井底條件下都能控制降解。這種可溶合金首先應用在制備壓裂球上，2011年，貝克休斯研發了應用在滑套上的可溶解壓裂球，具有質量輕、強度高、可控溶解等特點，并于當年在北美油氣壓裂中成功應用，并逐步替代了橋塞上不可溶解的壓裂球。

借助可溶材料的發展，研究者創新性地將整個橋塞采用可溶解材料制造，這大幅減少甚至不再需要連續油管的磨銑作業，進一步降低了整體風險和成本[18-20]。在油氣井環境條件下自主溶解的材料主要采用鎂鋁合金，這種在20世紀70年代被否定的材料，再次被運用在橋塞上。金屬或合金的降解過程的副產品是一種細小的粉末，它不會影響反排和生產。數小時到數天，橋塞就會慢慢降解，轉化為氫氧化物，同時釋放出少量的氫氣，直到完全溶解[21-22]。采用可溶材料制造的橋塞主要的技術要求有2點，一是具有足夠高的封隔能力；二是溶解時間可控。而可溶鎂鋁合金的溶解性能與井下的溫度和礦化度密切相關，為了使用這些可溶解的橋塞，必須仔細評估橋塞的使用環境[23-24]。

要想使橋塞實現整體溶解，作為封隔的重要零部件橡膠也需要用可溶材料，可溶解塑料由于其韌性和彈性都達不到要求而無法代替橡膠，因此，必須研發一種新型橡膠彈性體，使它不僅具有傳統橡膠的強度與彈性，也能在井下流體中自主降解。研究者采用傳統的聚合物為基體，改性制造了一種可降解彈性體，這種橡膠彈性體采用水解的溶解機制。彈性體水解是其與水反應而使化合物發生化學分解的過程，其原理是通過提高橡膠的吸水性，破壞聚合物鏈上活性基團上的鍵，從而使彈性體分子連接減弱并斷裂，實現彈性體的降解[25]。隨著井下地層溫度升高，降解作用會進一步增強。這種橡膠材料實現了在井筒流體中可控降解，并能保持較高的彈性和強度。

2.2 可溶橋塞結構

在可溶解壓裂球出現之后，一種大通經的橋塞一度成為研究的熱點[26]，其由不可降解的材料(如鑄鐵或鋼)制成。依靠具有較大的內通徑本體和可降解球組成，前者充當不可溶解的球座，后者為壓裂提供暫時封堵。可降解球與大通徑橋塞結合使用，在完全可溶解的橋塞出現之前，被視為一種過渡技術。這種類型的橋塞仍然具有鑄鐵橋塞的一個弱點，由于這些橋塞的設計是永久放置的，如果發生了提前坐封的情況，要完全移除它們是極其困難的。如果在設計的位置上成功坐封，這些大通徑橋塞可以滿足生產作業流程，但留在井筒內的橋塞本體會形成井徑限制，可能會使未來的井下作業復雜化，并可能影響生產。

2015年，業界出現了在井筒中可自行溶解的橋塞，圖6為哈里伯頓Illusion可溶橋塞，是業界第1個可溶橋塞，封隔能力仍然達到了69 MPa(10 000 psi)，雖然其結構與Fas Drill微型復合橋塞非常相似，但卻比復合橋塞更加短小，其139.7 mm(5英寸)結構的橋塞長度僅為443 mm[27]，這種橋塞主要由可溶合金本體、錨定機構以及同樣可溶的密封膠筒組成，壓裂完成后無需磨銑作業，橋塞在井下溫度和鹽度的基礎上隨著時間降解。

圖6 哈里伯頓Illusion可溶橋塞

哈利伯頓的Illusion可溶橋塞結構從其可鉆橋塞演化而來，但是這種原始的結構使得橋塞的體積仍然較大，嚴重影響其溶解速率，可溶解橋塞必須改變傳統的鑄鐵和復合橋塞結構的設計。

斯倫貝謝研發的新型可溶橋塞采用了全新的結構設計。圖7為斯倫貝謝 ReacXion可溶橋塞，其創新性的將密封膠筒與錨定卡瓦放置于同一個錐體上，其膠筒的密封方式不在是壓縮膠筒徑向膨脹形成密封，而是利用錐體使密封膠筒周向漲封，由于密封原理的改變，實現了密封膠筒的小型化，斯倫貝謝這種可溶橋塞具有在149 ℃井下密封69 MPa(10 000 psi)壓差的能力，其長度只有226 mm，幾乎只有哈里伯頓Illusion可溶橋塞長度的一半，由于這種結構的橋塞坐封丟手后不需要中心桿，因此其另一個特點就是大通徑，其63.5 mm的大通徑即使在油井立即開啟后，該橋塞的設計也能提供足夠通徑的油氣通道。

圖7 斯倫貝謝 ReacXion可溶橋塞

近年哈里伯頓同樣在橋塞小型化方面發力，研發了其下一代可溶橋塞產品Illusion Spire，其結構如圖8，與其上一代產品Illusion常規可溶橋塞相比，其一個顯著特點就是采用了單邊坐掛的方式，而且膠筒的坐封原理也進行了更改，其創新性的坐封過程為：當坐封工具點火坐封時，推動左邊的錐形推桿向膠筒內部移動，然后使預置在膠筒內的金屬膨脹彎曲變形，頂起膠筒使其密封橋塞與套管的環空間隙，圖8b是其坐封丟手后的狀態，變形的金屬將膠筒頂起形成環空封隔，丟手后，坐封工具連同坐封中心桿一并提出井口，因此坐封后的橋塞也不再具有中心桿結構，從而增加了橋塞通經，這種新一代的139.7 mm(5英寸)可溶橋塞的結構長度已經縮小到203.2 mm，幾乎是業界最小巧的可溶橋塞之一。

圖8 哈里伯頓Illusion Spire可溶橋塞

這種全新的結構設計，工程師們也在復合橋塞上進行試探，因此，出現了復合橋塞與可溶橋塞極其相似的結構設計，反過來又提高了復合橋塞的經濟和效率。但是，可溶橋塞的風險和成本低于普通復合橋塞，越來越多的淺層和中深層的井也開始應用，通過對可溶材料的不斷優化改進，應用于不同溫度、礦化度下的可溶材料逐漸被研發出來，大幅提高了可溶橋塞的適用性。這種溶解速率可控、密度低、強度高的可溶合金橋塞極具發展前途。

現階段一種新型的采用金屬密封來代替橡膠密封的橋塞成為研究熱點，這是因為橡膠有其局限性，其存儲環境相比金屬苛刻，承壓能力及溫度適應性不強，而且其在井筒中完全溶解的時間普遍比可溶合金要長。采用金屬密封的橋塞，其密封結構由于無需擋圈保護，結構得到進一步的簡化，圖9為KLX研發的可溶橋塞，其采用金屬密封為主，橡膠圈輔助密封的封隔方式，因此其密封結構相當簡單，無需防突機構和擋環等輔助增強結構，這種金屬密封采用高延展率可溶合金制成，可與橋塞本體實現同步溶解。

圖9 KLX可溶橋塞

可溶橋塞由于其自溶解特性，使其在減少壓裂后期干預作業方面具有很大的經濟價值，有針對性地、系統地研究可溶合金在不同溫度、Cl-濃度、pH值等外部因素，以及合金元素、微觀結構、制備工藝等內部因素對材料的溶解性能影響，是實現材料對井筒環境響應的一致性和可預測性的必要前提。

3 結論

1) 全溶解壓裂橋塞在非常規油藏水平井開發中具有優勢，特別適用于深井和長水平井。完全可溶解的壓裂橋塞無需進行額外的磨銑作業，從而大幅降低了拆除壓裂橋塞的成本和風險，同時也減少了鉆井液對地層的污染。

2) 復合橋塞和可溶橋塞現階段處在并行發展階段，但是，隨著可溶材料的技術進步，可溶解橋塞的應用范圍正在逐步增長，等到可溶橋塞發展到真正的不需要任何類型的清洗時，復合橋塞在臨時層間封隔的應用將大幅減少。但在一些特定作業，如棄井、永久性封井中，復合橋塞仍有其不可代替的作用。

3) 一套可溶橋塞并不是對所有的井下環境都適應的產品，研究人員根據可溶材料的溶解特性，考慮井下溫度、壓裂過程、返排方案，進行詳細規劃，這將有助于可溶橋塞的成功應用。