高性能系列可溶橋塞的研制與應用

張 勇 張國田 劉 宇 王方明 陳省身 趙賀謙

(1.北京石油機械有限公司 2.中國石油集團工程技術研究院有限公司)

0 引 言

國內致密油氣、頁巖油氣等非常規油氣資源儲量豐富、開發潛力大，但是非常規油氣儲層的成藏條件復雜、巖性致密、儲層物性差、非均質性強，其開發難度相應增加，需要通過儲層改造措施才能獲得比較理想的產能[1-2]。近年來，隨著國內水平井鉆井技術的大力推廣，以及水平井分段壓裂技術的深入攻關研究和不斷進步，分層注采、水平井多級分段壓裂技術作為非常規油氣儲層改造、有效提高單井產量的核心技術手段，得到了廣泛應用，并取得了顯著的增產效果。橋塞+分簇射孔聯作技術作為水平井分段壓裂的主體工藝技術，能有效實現高強度、無限級體積改造的目的[3-5]。而可溶橋塞作為一種新型的水平井體積壓裂用分層分段改造工具，在壓裂完成后依靠井筒溫度及一定的礦化度液體環境即可實現橋塞本體完全溶解，確保井筒全通徑生產，具有綜合成本低、投產時間短、作業風險低以及可實現二次改造等諸多優點和技術優勢，在國內非常規油氣資源開發過程中應用越來越廣泛，占比超85%，已成為水平井分段壓裂施工過程中的關鍵工具和核心利器[6-7]。國外最早于2015年由斯倫貝謝公司推出可溶解橋塞射孔聯作系統Infinity和貝克休斯公司的SPECTRE新型可溶解式壓裂橋塞，其中斯倫貝謝公司的可溶橋塞耐溫可達175 ℃，耐壓高于69 MPa(10 000 psi)，并且已有商業應用的報道。國內眾多科研院所、高校及企業也相繼開展了可溶橋塞的攻關和研制，如中國石油勘探開發研究院自主研發的可溶橋塞于2016年在頁巖氣儲層壓裂作業中成功應用，中國石化華東油氣分公司針對南川頁巖氣田進行了可溶橋塞射孔聯作工藝試驗[8-9]；尤其是近幾年來，國內可溶橋塞產品快速發展，相關技術已較為成熟。為此，筆者針對不同地層溫度、套管規格、井筒條件及作業工況下的分段壓裂施工需求，個性化開發高性能可溶材料，結合一體式結構設計技術，研制高性能系列可溶橋塞，以有效保障體積壓裂施工作業，以期為非常規油氣資源的高效開發及水平井分段壓裂的提質降本提供有力的技術支撐。

1 結構設計及技術參數

國內各大油氣田的地層溫度、井筒條件和井下作業環境等存在較大差異，套管類型和材質、井底液體的溫度和礦化度、施工工藝和溶解要求等各有不同，對可溶橋塞的尺寸規格、綜合性能等均提出不同的要求。水平井在水力壓裂過程中出現套管變形的情況也時有發生，同一種套管需要不同外徑尺寸系列的橋塞，尤其是頁巖氣、頁巖油等區塊，對小尺寸、高膨脹率可溶橋塞需求多，卡瓦咬合距離變長、膠筒膨脹率變高，材料性能要求也相應變高，由此增加了可溶橋塞材料選擇和結構設計的難度。

基于自主可溶材料和一體式結構設計技術，研制的高性能可溶橋塞如圖1所示。高性能系列可溶橋塞技術參數詳見表1。

1—中心管；2—推環；3—上卡瓦；4—上錐體；5—可溶膠筒；6—支撐環組件；7—下錐體；8—下卡瓦；9—下接頭。圖1 高性能可溶橋塞結構示意圖Fig.1 Schematic structure of the high-performance soluble bridge plug

表1 高性能系列可溶橋塞技術參數Table 1 Technical parameters of high-performance series soluble bridge plugs

該橋塞主體采用雙向整體式卡瓦錨定、可溶膠筒壓縮式密封的結構類型，主要由中心管、推環、上卡瓦、上錐體、可溶膠筒、支撐環組件、下錐體、下卡瓦、下接頭等部分組成。雙向卡瓦在坐封工具的軸向力作用下沿上、下錐體的錐面不斷擴張直至咬入套管內壁，同時擠壓膠筒產生彈性變形，實現井下套管的密封，在橋塞下接頭螺紋被剪切后，鎖緊膠筒，橋塞完成丟手和錨定[9]。

針對不同套管尺寸、工況條件，采用雙向整體式卡瓦的一體化結構技術研制的8種尺寸規格、4種溫度等級高性能系列可溶橋塞，具有通徑大、長度短、承壓穩定、復雜工況適用性強、溶解性能好等技術特點。其適用溫度30～150 ℃，適用礦化度0～40 000 mg/L；可適用于P110、Q125、P140等各種鋼級的外徑114.3 mm(4in)、127.0 mm(5 in)及139.7 mm(5in)套管內穩定坐封承壓。

2 性能測試及評價

2.1 材料性能測試

可溶材料作為可溶橋塞的核心技術，對其坐封、承壓、溶解等綜合性能起到決定性作用。由于不同地層溫度、井筒工況條件的差異性，導致不同材料存在工況適用性和匹配性的問題，包括材料強度和韌性存在的矛盾，高溫高壓條件下承壓穩定性、可靠性與溶解速度、時間的問題，可溶金屬與可溶橡膠材料在同一條件下溶解速率不一致帶來的溶解控制問題等。因此，可溶橋塞的結構設計及可溶材料選配，需要針對不同地區的井筒條件和作業工況，結合不同材料的性能指標，深度開展個性化設計，確保其在不同工況條件下的適用性、穩定性及溶解時間可控性。

根據可溶橋塞的結構原理及特點，其兩大關鍵功能性組件分別是起錨定作用的卡瓦和起密封作用的膠筒，即卡瓦和膠筒是可溶橋塞能否滿足“坐得穩、封得住”的壓裂工藝需求的關鍵[10]。而可溶橋塞的卡瓦、錐體等組件均采用可溶鎂合金材料加工制成，膠筒則采用可溶橡膠壓注成型。為此，開展了可溶金屬和橡膠材料的技術攻關和測試評價。

通過設計單體及交聯劑種類配比，定向重構高分子鏈的硬段及軟段的含量及網格結構，改善交聯劑、助溶劑種類配比，實現了可溶橡膠溶解速率的可調可控，研發的多水解基團聚酯和聚氨酯共聚物體系的可溶橡膠材料配方，適用溫度范圍30～150 ℃，100% 高溫模量4.48～6.90 MPa，高溫拉伸延長率可達400%～650%。不同溫度等級的可溶橡膠拉伸測試如圖2所示。中溫可溶橡膠配方注膠成型的可溶膠筒樣品在80 ℃清水中浸泡6 d充分溶解，溶解殘余物最大尺寸為13 mm。

圖2 不同溫度等級的可溶橡膠拉伸測試結果Fig.2 Tensile test results of soluble rubber at different temperature levels

通過優化不同合金元素配比、成型工藝等，調整可溶鎂合金材料的顯微組織，實現強度和韌性的平衡，研發了高強度、強韌性的可溶鎂合金材料及其配方體系。其中，卡瓦用關鍵可溶鎂合金材料需要具有一定強度和韌性，尤其是錨定承載的下卡瓦。為此，開展了橋塞卡瓦用可溶鎂合金材料的力學性能測試，卡瓦材料在不同溫度條件下的測試結果如圖3所示。

圖3 不同溫度下鎂合金材料力學性能測試結果Fig.3 Test results of mechanical properties of magnesium alloy materials at different temperatures

并且在同一圓柱形棒材的中半徑位置分別從軸向和徑向進行取樣，開展材料的拉伸、屈服強度測試，不同方向的鎂合金試樣的材料力學性能隨溫度變化的測試結果如圖4所示。測試結果表明，材料抗拉、屈服強度隨溫度的增加而減小，伸長率則隨溫度的增加而增大。此外，為了充分驗證卡瓦材料的強度能否滿足結構設計需求，進行了模擬坐封錨定后的卡瓦承載試驗，驗證其最大承載軸向力及錨定效果[11]。基于自動壓力試驗機，選取坐封在內徑為114.3 mm套管用101 mm可溶橋塞下卡瓦進行卡瓦承載試驗，得到的卡瓦錨定軸向力與行程之間的關系如圖5所示。從圖5可見，卡瓦軸向加載過程平穩，最大承載軸向力達831 kN，能夠滿足70 MPa以上的壓裂施工作業的錨定要求。

圖4 不同取樣方向下鎂合金材料力學性能測試結果Fig.4 Test results of mechanical properties of magnesium alloy materials under different sampling directions

圖5 卡瓦承載試驗曲線Fig.5 Slip load testing curve

2.2 可溶橋塞綜合性能試驗

可溶橋塞的綜合性能直接影響著水平井分段壓裂施工作業穩定性和施工效果。因此，開展模擬井下不同溫度、壓力及礦化度等作業環境下的橋塞坐封、承壓、溶解等綜合性能的測試與評價必不可少。由此不僅可以充分掌握性能指標、把控其整體質量，確保可溶橋塞產品的綜合性能和穩定性等能夠滿足實際工況需求[12-15]，有效避免因橋塞滑移或失效造成作業時間延長、成本損失，還可以指導可溶橋塞的進一步優化設計，有力推動不同尺寸及不同溫度、壓力等級的可溶橋塞系列化產品的研發。為此，以外徑139.7 mm、內徑114.3 mm、鋼級Q125的套管用101 mm可溶橋塞作為研究對象，開展模擬工況條件下的可溶橋塞綜合性能試驗和評價。

2.2.1 坐封丟手試驗

實際施工作業過程中，可溶橋塞在下入井底套管內指定位置后，通過坐封工具提供一定的坐封力將其坐封丟手，卡瓦錨定在套管內壁并鎖緊密封膠筒，從而實現套管封隔。因此，橋塞必須在井下丟手后形成有效的初始錨定和密封。為了模擬實際工況，采用與現場同等規格、鋼級的試驗套管和貝克20#液壓坐封工具，將可溶橋塞、適配器、液壓坐封工具依次連接，如圖6所示。將連接體(見圖6)水平放置于試驗套管中并啟動坐封工具完成橋塞坐封丟手，觀察橋塞的丟手螺紋剪切完整，上、下卡瓦的錨定均勻，判斷橋塞坐封狀態良好。橋塞坐封丟手過程中軸向力變化曲線如圖7所示。從圖7可知，坐封丟手力為145.1 kN，坐封行程約為96 mm，均與設計的理論值相近。

圖6 可溶橋塞與坐封工具連接Fig.6 Connection between the soluble bridge plug and the setting tool

圖7 坐封丟手過程中軸向力變化曲線Fig.7 Axial force change curve during the process of setting and tool dropping

2.2.2 承壓密封及耐溫性能試驗

為測試和檢驗可溶橋塞的承壓密封能力，封堵可溶橋塞中心孔并在試驗套管兩端安裝接頭，套管外圓纏繞電磁感應加熱帶后啟動壓力試驗系統，將質量分數1%的KCl溶液注入試驗套管的空腔內，按照每間隔1 min增壓10 MPa對橋塞上端階梯加壓至70.31 MPa，常溫穩壓15 min，記錄壓降為0.41 MPa。為進一步模擬和測試可溶橋塞在一定壓力和溫度條件的承壓密封及耐溫性能，將橋塞上端降壓至40.2 MPa后，通過電磁感應加熱將試驗套管升溫至95 ℃，增壓至70.26 Pa，穩壓1 440 min，穩壓過程中無壓降；繼續按每間隔1 min增壓5 MPa對橋塞上端階梯加壓至100.5 MPa，穩壓5 min，記錄壓降為0.39 MPa。試驗表明，可溶橋塞的承壓密封及耐溫性能能夠滿足實際施工要求。圖8為可溶橋塞溶解試驗過程及殘余物展示圖。

2.2.3 溶解性能試驗

將完成承壓密封試驗后的套管及橋塞平置放入溶解測試裝置，配置Cl-離子質量濃度5 000 mg/L的溶液，加溫至80 ℃并保持恒溫，每間隔24 h更換溶液并對橋塞清洗稱重。可溶橋塞經過168 h完成充分溶解，溶解殘留物為卡瓦錨定齒和顆粒狀碎塊，單體最大尺寸15 mm，質量剩余172 g，殘留物質量分數4%，殘余碎塊的質地無橡膠性質，輕捏呈粉末狀，溶解試驗過程及殘余物如圖8所示。

圖8 可溶橋塞溶解試驗過程及殘余物Fig.8 Dissolution testing process and residues of the soluble bridge plug

3 現場應用及效果

基于自主可溶材料和結構設計技術研制的高性能系列可溶橋塞在國內各大油氣田區塊開展了現場試驗及推廣應用，尤其是在環瑪湖地區致密油、川渝頁巖氣等非常規油氣資源開發的重點區塊實現了批量化應用。施工過程中電纜泵送橋塞、點火坐封、丟手、投球等作業順利，承壓穩定，有效保障了水平井分段壓裂的平穩施工及儲層改造效果。根據區塊的工況特點定制化設計的可溶橋塞，已達到壓裂施工后通井無遇阻的最佳溶解效果。以瑪湖致密油區塊為例，由于儲層埋深普遍大于3 000 m，成藏條件復雜、巖性致密、儲層物性差、非均質性強、地層壓力系數高，使水平井體積壓裂面臨較大的挑戰，對配套可溶橋塞的綜合性能提出了更高要求。水平井分段壓裂施工過程中，各段施工壓力平均達80 MPa，最高施工排量14 m3/min，壓裂過程中存在起裂和加砂困難、重復啟停泵、注酸及浸泡等復雜工況，高性能可溶橋塞在該地區數10井次的壓裂施工作業中，充分驗證了其綜合性能，能夠滿足復雜工況下施工的可靠性和穩定性。瑪湖地區某井壓裂施工曲線如圖9所示。

圖9 瑪湖地區某井壓裂施工曲線圖Fig.9 Fracturing construction curve of a well in Mahu area

4 結 論

(1)研發了多水解高分子基團可溶橡膠與高強度、強韌性的可溶金屬材料及其配方體系，開展了材料力學性能及溶解性能測試及評價，可滿足溫度30～150 ℃、承壓70 MPa密封的可溶橋塞個性化設計的需求。

(2)基于自主可溶材料和雙卡瓦一體式結構技術，研制了高性能系列可溶橋塞，模擬工況條件下的可溶橋塞綜合性能試驗結果表明，其有效承壓密封時間≥24 h，極限承壓可達85～100 MPa，充分溶解時間≤7 d，溶解殘余物質量分數≤4%，滿足實際工況需求。

(3)高性能系列可溶橋塞在各大油氣田區塊開展了現場試驗及推廣應用，充分驗證了其綜合性能穩定可靠，復雜工況適用性強、溶解效果較好，能夠有效保障體積壓裂施工作業，為非常規油氣資源的高效開發及水平井分段壓裂的提質降本提供有力的技術支撐。