可溶性橋塞地面試驗研究

何佳 陳威偉 石志強 張永亮 李軍

摘要：可溶性橋塞是一種新型的井筒臨時封隔類工具，集常規(guī)速鉆復(fù)合橋塞和大通徑橋塞優(yōu)點于一體，在坐封完畢進行壓裂后，可溶性橋塞在井筒內(nèi)液體侵泡及相對應(yīng)的溫度條件下即可自行溶解，實現(xiàn)全通徑投產(chǎn)，為后期油氣開采節(jié)省鉆磨橋塞作業(yè)時間及成本，提高生產(chǎn)效率。本文對可溶性橋塞所在井下環(huán)境進行地面仿真模擬，并從溶解性能和承壓能力兩個方面對可溶橋塞的性能做詳細(xì)研究和闡述。可溶橋塞作業(yè)能夠解決油田的鉆塞難題，為油田減少一個作業(yè)工序，降低開發(fā)過程的工程復(fù)雜，縮短建井周期，對油田規(guī)模效益開發(fā)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：可溶性橋塞;溶解性;承壓能力;溫度

0 引言

橋塞發(fā)明于二十世紀(jì)八十年代，相比于以往的打水泥塞封層工藝，橋塞坐封工藝施工具有工序少、周期短、卡封位置準(zhǔn)確等優(yōu)勢，所以一經(jīng)問世就在油氣井封層方面得到了廣泛應(yīng)用，基本上取代了原有工藝，成為試油井封堵已試層，進行上返試油的主要封層工藝。

隨著石油行業(yè)的飛速發(fā)展，橋射聯(lián)作施工作業(yè)逐年增多，橋塞下入過程中一旦遇阻，電纜張力控制不當(dāng)橋塞工具就會提前將橋塞坐封，極大影響工期及成本，并且由于井深導(dǎo)致速鉆橋塞的鉆磨更加困難。而大通徑橋塞又局限了套管內(nèi)徑，影響了后期更多生產(chǎn)作業(yè)要求。因此誕生了一種新型橋塞———可溶性橋塞。

可溶性橋塞是一種新型的井筒臨時封隔類工具，集常規(guī)速鉆復(fù)合橋塞和大通徑橋塞優(yōu)點于一體，在坐封完畢進行壓裂后，可溶性橋塞在井筒內(nèi)液體侵泡及相對應(yīng)的溫度條件下即可自行溶解，實現(xiàn)全通徑投產(chǎn)，為后期油氣開采節(jié)省鉆磨橋塞作業(yè)時間及成本，提高生產(chǎn)效率。

可溶性橋塞在井筒內(nèi)溶解速率主要受溫度，壓力及井筒溶液礦化度影響，本文針對這幾點進行詳細(xì)研究，做以下闡述。

1 可溶性橋塞概述

1.2可溶橋塞原理

可溶橋塞利用電纜或管柱將其輸送到井筒預(yù)定位置，通過火藥爆破、液壓坐封或者機械坐封工具產(chǎn)生的壓力作用于上卡瓦，拉力作用于張力棒，通過上下錐體對密封膠筒施以上壓下拉兩個力，當(dāng)拉力達(dá)到一定值時，張力棒斷裂，坐封工具與橋塞脫離。此時橋塞中心管上的鎖緊裝置發(fā)揮效能，上下卡瓦破碎并鑲嵌在套管內(nèi)壁上，膠筒膨脹并密封，完成坐封。

1.3可溶性橋塞國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2014年，貝克休斯公司發(fā)布商用SHADOW系列壓裂橋塞。它的特點為永久式、大通徑、可過流，無需連續(xù)油管作業(yè)，比傳統(tǒng)復(fù)合橋塞的更高效，可降低作業(yè)成本和HSE風(fēng)險。2015年，哈里伯頓生產(chǎn)了可完全溶解Illusion系列壓裂橋塞，它可坐封在井筒中的任意位置，優(yōu)化射孔的位置，提高壓裂效果。避免鉆掉橋塞從而縮減建立生產(chǎn)的時間，在降低風(fēng)險的同時又能快速建立生產(chǎn)，提高資產(chǎn)的凈現(xiàn)值。

目前隨著可溶材料及產(chǎn)品的研發(fā)、推廣應(yīng)用，國外可溶橋塞產(chǎn)品在國內(nèi)市場逐步趨于退出狀態(tài)。國內(nèi)可溶橋塞2014來以來逐步開始大面積推廣應(yīng)用，而隨著可溶橋塞的特定及優(yōu)點逐步擴大應(yīng)用范圍，目前，國內(nèi)公司已研制出整體式全可溶復(fù)合材料壓裂橋塞，全可溶壓裂橋塞的主體結(jié)構(gòu)使用全可溶金屬復(fù)合材料制成，可在一定濃度的氯離子溶液中自行溶解，并且氯離子濃度越高，合金溶解速度越快。

1.2 可溶橋塞優(yōu)越性

1）其中的可溶球在沒有溶解之前不影響橋塞邊部的流通;

2）可防止外界污物等進入到橋塞內(nèi)部;

3）橋塞在連接時的安裝定位更加精準(zhǔn);

4）提高了橋塞外表面的機械性能和抗擠壓能力;

5）橋塞在溶解過程所產(chǎn)生的應(yīng)力分均更加均稱，提高橋塞在溶解時的效果。

2 可溶性性橋塞地面研究

可溶金屬主要是熔點比較低的鋁鎂合金材質(zhì)，跟氯離子反應(yīng)進而降解，降解速度主要受氯根影響膠桶降解原理是在溫度作用下，分子產(chǎn)生反應(yīng)，進而老化失去強度，在外力作用下就會變成粉末，所以主要受溫度影響。因此本章對可溶橋塞的承壓性能及溶解性能進行測試研究。

2.1 承壓性能測試

以外徑95mm可溶橋塞為研究對象，配套直徑44.5 mm 的可溶球。首先在地面通過液壓坐封工具將可溶橋塞坐封到套管內(nèi)，再利用橋塞試驗裝置進行加熱以及承壓測試。以NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的溶液為介質(zhì)，通過試驗裝置加熱到98 ℃，加壓至70 MPa并承壓15 min，隔4 h加壓1次。試驗結(jié)果顯示可溶橋塞浸泡12 h，仍然可以承壓70 MPa，穩(wěn)壓15 min，泄漏小于1%。浸泡16 h后，可溶橋塞還可以加壓至70 MPa，但是會有持續(xù)的壓力泄漏。

2.2溶解性能試驗

采用恒溫浸泡的方法測試可溶球和可溶橋塞本體的溶解速度。分別對2種材質(zhì)取樣，樣品尺寸：20 mmx 20 mm x 20 mm，可溶球材質(zhì)密度1.834gl cm'，本體材質(zhì)密度1.925 g/cm'，同樣浸泡在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的溶液中進行降解試驗，浸泡溫度為98 ℃。每隔2 h烘干樣品，采用精密儀器測量樣品剩余質(zhì)量，直至樣品完全降解。可溶橋塞的金屬部分以Mg合金為主，在氯離子的作用下鎂與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成粉末狀的，即有：

可溶球和可溶橋塞本體的溶解速度從圖2中可以看出。可溶球的溶解速度要快一些，這正好符合可溶橋塞的使用特點：可溶球先溶解，留出橋塞的通道供返排液流動，加快橋塞總體溶解。

在同樣的溶解條件下，同樣材質(zhì)的試樣大小不同，溶解時間也不會相同。由計算可知，可溶球的溶解速率比橋塞本體的溶解速率更快一些。

模擬現(xiàn)場使用條件，返排液中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，恒溫98 ℃，分別將卡瓦、膠簡以及可溶橋塞總成浸泡在返排液中。卡瓦及膠筒溶解前、后對比分別如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，該卡瓦已經(jīng)全部溶解，只留下卡瓦表面的一些易碎鍍層。從圖3可以看出，可溶膠筒也完全溶解，變成了泥狀物。將可溶橋塞整體浸泡在橋塞試驗裝置中，返排液中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，恒溫98 ℃，橋塞溶解曲線如圖4所示。由圖可知，接近10 d橋塞全部溶解。

可溶橋塞在98 ℃、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液中承壓可以達(dá)到70 MPa。壓裂球45 h完全溶解，卡瓦65 h完全溶解，本體各部件40～106 h完全溶解，膠筒在205 h開始溶解，245 h完全溶解。

試驗結(jié)果表明可溶橋塞滿足各項設(shè)計技術(shù)要求，具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

3.結(jié)論

（1）12時之前，橋塞溶解比可溶球緩慢，質(zhì)量基本無變化。

（2）12時之后橋塞溶解劇烈，速率加快，60時樣品剩余約6g。推斷：整體橋塞金屬部分400小時（約17天）后溶解成糊狀，基本無殘留物;14.3天時，膠筒基本溶解完，呈顆粒狀。

（3）可溶球溶解速度高于橋塞本體，因此建議壓裂正式推球之前再投球，避免可溶球溶解過快造成密封失效;

（4）可溶橋塞基本全可溶，縮短建井周期，為客戶節(jié)省了時間和成本;而且在降低風(fēng)險的同時又能快速建立生產(chǎn)，提高資產(chǎn)的凈現(xiàn)值。

參考文獻：

[1]可溶橋塞試驗研究及現(xiàn)場應(yīng)用_楊小城