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(1.中國(guó)石油西南油氣田公司 工程技術(shù)研究院，成都 610017； 2.中國(guó)石油西南油氣田公司 川東北氣礦，四川 達(dá)州 635000)

電纜泵送橋塞+分簇射孔聯(lián)作分段壓裂工藝是目前國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層改造、提高頁(yè)巖氣水平井單井產(chǎn)量的主流技術(shù)，其中橋塞工具是該工藝技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]?？扇苄詷蛉且环N由新型材料制成的用于水平井壓裂改造的井筒臨時(shí)封隔類分段工具，集常規(guī)快鉆式復(fù)合橋塞和大通徑橋塞優(yōu)點(diǎn)于一體，壓裂施工時(shí)提供穩(wěn)定的層間封隔，施工結(jié)束后可在井內(nèi)液體環(huán)境中、一定溫度條件下自行溶解，無需井筒作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井筒全通徑投產(chǎn)[3-5]。國(guó)內(nèi)外多家油服公司和科研機(jī)構(gòu)已研制出可溶性橋塞工具，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好效果?？扇苄詷蛉某晒?yīng)用，有效提高了作業(yè)效率，節(jié)省了后續(xù)費(fèi)用，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

1 可溶性橋塞技術(shù)特點(diǎn)

可溶性橋塞主要由橋塞基體、錨定機(jī)構(gòu)及密封件3部分組成，橋塞基體由高強(qiáng)度可溶材料制成，包括中心管、錐體、保護(hù)環(huán)及接頭等。錨定機(jī)構(gòu)采用可溶材料作為載體，表面經(jīng)過合金粉粒、合金顆?；蛱沾深w粒處理。密封件為可溶性橡膠或塑料。

1.1 材質(zhì)特點(diǎn)

Mg + 2H2O → Mg(OH)2+ H2↑

上述總反應(yīng)可由以下分步反應(yīng)組成：

陽(yáng)極反應(yīng)，Mg → Mg2++2e-

陰極反應(yīng)，2H2O+2e-→H2+2OH-

反應(yīng)產(chǎn)物，Mg2++2OH-→Mg(OH)2

鎂鋁合金的溶解速率主要與液體溫度和Cl-濃度有關(guān)，溫度越高，溶解越快；Cl-濃度越高，合金表面鈍化膜破壞越快，液體導(dǎo)電性越好，溶解速率越快。

聚乙醇酸(PGA)是目前最常用于制作橋塞基體的一種高分子材料，經(jīng)過調(diào)制優(yōu)化，具有接近于鎂鋁合金的強(qiáng)度和力學(xué)性能，在液體環(huán)境中、一定溫度條件下發(fā)生水解反應(yīng)，高聚物主鏈上不穩(wěn)定的C-O鍵分解成低聚物，最終降解為二氧化碳和水[8]。

高分子材料的溶解速率主要與液體溫度有關(guān)，當(dāng)液體溫度達(dá)到材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，溫度越高，溶解越快。

這個(gè)“科普”之名的獎(jiǎng)，引來了記者訪談.主題是：能夠獲獎(jiǎng)的科普著作為何沒在大陸出版？然后發(fā)表了不著邊際的評(píng)論文章.如果她但凡有點(diǎn)水平，評(píng)論的焦點(diǎn)恐怕應(yīng)該是：究竟什么是科普著作(前提是認(rèn)同還是否定“吳大猷科普獎(jiǎng)”的屬性)？

可溶性橋塞密封件是一種高分子材料，有單膠筒、組合膠筒等多種形式，多為熱塑性彈性體共混物，其中主相彈性體保證密封性能，分散相水解保證溶解性能，膠筒溶解后呈糊狀或碎粒狀，易返排。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

在結(jié)構(gòu)組成方面，可溶性橋塞的錨定機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特之處。常規(guī)橋塞的錨定機(jī)構(gòu)多為整體式鑄鐵卡瓦或分瓣式硬質(zhì)合金卡瓦，而可溶性橋塞的錨定機(jī)構(gòu)則是對(duì)可溶材料載體進(jìn)行表面處理，在滿足錨定要求的同時(shí)，盡量保證溶解效果[9-10]。

一種表面處理方式是在可溶材料載體表面噴涂合金粉末，橋塞坐封后依靠合金粉末與套管內(nèi)壁的摩擦力來達(dá)到錨定的效果；另一種表面處理方式是在可溶材料載體表面鑲嵌合金或陶瓷顆粒，顆粒有柱狀和塊狀兩種形式，橋塞坐封后鑲嵌的顆粒咬入套管達(dá)到錨定效果，如圖1所示。比較這兩種表面處理方式，載體溶解后合金粉末粒徑小，極易隨液體返出，而顆粒尺寸大、數(shù)量多、密度高，返出效果難以保證，后續(xù)作業(yè)前可能還需采用連續(xù)油管進(jìn)行井筒清理。

1—表面噴涂合金粉末；2—鑲嵌陶瓷柱；3—鑲嵌合金柱；4—鑲嵌陶瓷塊鑲；5—嵌鑄鐵塊。

另外，可溶性橋塞的錨定方向有單向和雙向兩種，單向錨定在反向承壓時(shí)一般要求控制壓差不超過10 MPa，雙向錨定的正反向承壓能力相當(dāng)。

1.3 整體性能對(duì)比

與常規(guī)橋塞相比，可溶性橋塞具有不受連續(xù)油管作業(yè)能力限制，無需進(jìn)行井筒作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井筒全通徑等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)對(duì)比見表1。

表1 可溶性橋塞與常規(guī)橋塞整體性能對(duì)比

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外一些知名的油服公司和科研機(jī)構(gòu)，例如國(guó)外Halliburton、Baker Hughes、Vertechs、Magnum和國(guó)內(nèi)中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院等均已研制出可溶性橋塞工具，并在北美、加拿大及國(guó)內(nèi)川渝等地區(qū)開展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)。

2.1 Illusion可溶性橋塞

2015-06-15，哈里伯頓公司完井工具業(yè)務(wù)部在美國(guó)休斯敦率先發(fā)布了最新研發(fā)的代號(hào)為“幻覺”(Illusion)的可溶性橋塞(如圖2所示)，該橋塞是當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上所見報(bào)道的首款可溶性橋塞[11]。橋塞主要由合金本體、錨定機(jī)構(gòu)及密封膠筒組成，合金本體由可溶性金屬材料制成，雙向錨定機(jī)構(gòu)為可溶合金載體鑲嵌陶瓷粒方式，陶瓷粒為圓柱狀，密封膠筒是一種可溶性橡膠。

圖2 Illusion可溶性橋塞示意

據(jù)調(diào)研資料顯示，截至目前Illusion可溶性橋塞已在全球累計(jì)入井約5 000只。2017年在國(guó)內(nèi)川渝頁(yè)巖氣示范區(qū)足201-H1井開展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，該井井深6 038 m，地層溫度130 ℃，采用與139.7 mm套管匹配的Illusion可溶性橋塞進(jìn)行分段壓裂，全井施工累計(jì)使用橋塞23只，最大施工泵壓達(dá)100 MPa，施工過程橋塞性能穩(wěn)定。

2.2 SPECTRE可溶性橋塞

2015-09-28，在美國(guó)休斯敦舉辦的國(guó)際石油工程師學(xué)會(huì)(SPE)年度技術(shù)會(huì)議及展覽上，貝克休斯公司發(fā)布了其首款全可溶壓裂橋塞(如圖3所示)，橋塞代號(hào)“幽靈”(SPECTRE)[12]。該橋塞是一種金屬?gòu)?fù)合材料橋塞，本體由高強(qiáng)度的電解納米金屬材料制成，膠筒材質(zhì)為特殊聚氨酯，單向錨定卡瓦采用鎳基合金涂層技術(shù)(涂層厚度0.25～0.38 mm)，壓裂時(shí)強(qiáng)度穩(wěn)定，暴露于返排液后溶解性能優(yōu)良，溶解速率受返排液鹽度和溫度影響。橋塞溶解后本體完全消失，膠筒和卡瓦涂層呈細(xì)小碎粒，可返排出井筒。

圖3 SPECTRE可溶性橋塞示意

截至目前，SPECTRE-410系列可溶性橋塞已在美國(guó)德克薩斯州、俄克拉荷馬州及加拿大等地區(qū)成功投放2 000余只。在國(guó)內(nèi)青海油田峁平1井也率先開展了6只橋塞的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，承壓及溶解性能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

2.3 WIZARD可溶性橋塞

2016年，維泰油氣能源公司研發(fā)了代號(hào)為“魔法師”(WIZARD)的可溶性橋塞(如圖4所示)，橋塞基體為可溶性鎂鋁合金材料，單向錨定機(jī)構(gòu)為可溶載體鑲嵌鑄鐵卡瓦牙，密封膠筒為可溶性橡膠或塑料[13]。

圖4 WIZARD可溶性橋塞示意

據(jù)廠家提供資料顯示，該橋塞坐封后可承壓差68.9 MPa(10 000 psi)，溶解后僅剩余8塊超小尺寸的鑄鐵卡瓦塊，整體可溶解率大于98%。2017年，WIZARD可溶性橋塞在國(guó)內(nèi)四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣示范區(qū)的3口井開展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，累計(jì)完成壓裂改造40余段。試驗(yàn)期間嘗試了當(dāng)日泵送、次日壓裂的作業(yè)模式，驗(yàn)證了該橋塞滿足現(xiàn)場(chǎng)拉鏈壓裂作業(yè)需求。

2.4 MVP可溶性橋塞

2016-02，瑪格納姆公司發(fā)布了其最新研發(fā)的代號(hào)為MVP的可溶性橋塞(如圖5所示)，該橋塞主要由高分子聚合物材料制成，是一種可生物降解的環(huán)境友好型材料，其溶解速率主要受液體溫度影響。橋塞下錐體、卡瓦載體等少部分為鎂鋁合金，雙向錨定機(jī)構(gòu)為可溶載體鑲嵌合金顆粒，密封膠筒是一種可溶橡膠，整個(gè)橋塞可溶率約為99.5%[14]。

圖5 MVP可溶性橋塞示意

據(jù)調(diào)研資料顯示，MVP可溶性橋塞在美國(guó)德克薩斯州、科羅拉多州等地區(qū)已有400余口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，累計(jì)下入橋塞近6 000只。2016年底在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)寧、昭通等頁(yè)巖氣區(qū)塊成功開展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，并取得了良好效果。

2.5 國(guó)內(nèi)可溶性橋塞

中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院成功研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可溶性橋塞，其主體采用輕質(zhì)高強(qiáng)可溶合金材料，強(qiáng)度高，耐壓差70 MPa，遇水可溶，且溶解時(shí)間可控[15]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，該可溶性橋塞已在吐哈油田、大慶油田等 9 口油井的壓裂作業(yè)中使用，并于2016年底在四川威遠(yuǎn)成功應(yīng)用于頁(yè)巖氣井的分段壓裂改造。

3 結(jié)語

可溶性橋塞技術(shù)無需任何干預(yù)作業(yè)而實(shí)現(xiàn)井筒全通徑，有效解決了快鉆式復(fù)合橋塞依賴連續(xù)油管鉆磨和大通徑橋塞無法滿足生產(chǎn)測(cè)井要求的難題。未來，隨著可溶材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋塞國(guó)產(chǎn)化將被不斷推進(jìn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將變得更加激烈，可溶性橋塞的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和性價(jià)比將更加突顯，其必將成為頁(yè)巖氣等非常規(guī)氣藏分段壓裂工具的重要發(fā)展方向之一。目前，國(guó)內(nèi)的可溶性橋塞技術(shù)仍處于起步探索階段，在橋塞材料性能、室內(nèi)測(cè)試方法及現(xiàn)場(chǎng)配套工藝等方面仍有大量工作需要開展。

1) 強(qiáng)化橋塞材料性能。可溶性橋塞材料的強(qiáng)度和溶解性能必須依據(jù)擬應(yīng)用井況條件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，壓裂時(shí)具有足夠的承壓強(qiáng)度和密封效果，溶解性能除了滿足井筒全通徑的要求，還必須具備可操作的快速處理方案。

2) 優(yōu)化室內(nèi)測(cè)試方法。目前，可溶性橋塞性能的室內(nèi)測(cè)試主要依據(jù)常規(guī)橋塞和封隔器相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不具備針對(duì)性。對(duì)于可溶性橋塞性能的測(cè)試應(yīng)充分考慮井筒液體類型、礦化度及井筒溫度等因素影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)井況和工藝的需求。

3) 完善現(xiàn)場(chǎng)配套工藝?？扇苄詷蛉且豁?xiàng)新興技術(shù)，為了進(jìn)一步保證壓裂施工質(zhì)量和壓后溶解效果，充分發(fā)揮可溶性橋塞技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需優(yōu)化和完善壓裂施工制度與壓后排液制度，建立一套有效的現(xiàn)場(chǎng)施工配套技術(shù)。

鑒于此，建議加強(qiáng)科研攻關(guān)力度，升級(jí)完善可溶材料，創(chuàng)新優(yōu)化橋塞結(jié)構(gòu)，在保證橋塞可靠性能的同時(shí)盡量減少橋塞不溶物數(shù)量，真正實(shí)現(xiàn)無干預(yù)作業(yè)。