喻成剛， 劉 輝， 李 明， 王 宇， 喻 冰

(中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院)

頁(yè)巖氣作為一種新興清潔能源，具有儲(chǔ)層自然產(chǎn)能非常低、開(kāi)發(fā)成本投入非常高等特點(diǎn)，未來(lái)要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，依靠不斷的技術(shù)進(jìn)步持續(xù)增儲(chǔ)上產(chǎn)從而實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)將是重點(diǎn)突破口。水平井分段壓裂是目前國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣等非常規(guī)氣藏開(kāi)發(fā)的重要增產(chǎn)措施之一，可有效增加單井控制儲(chǔ)量，提高單井產(chǎn)能[1-3]。

可溶性橋塞是頁(yè)巖氣水平井分段壓裂領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)，該橋塞無(wú)需鉆磨，壓裂施工結(jié)束后在返排液中自行溶解，保證井筒全通徑，為后期生產(chǎn)測(cè)試等作業(yè)提供條件[4-8]。中石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，已成功研制出適用于外徑139.7 mm厚壁套管的可溶性橋塞，經(jīng)室內(nèi)測(cè)試，橋塞承壓密封性能可靠，溶解性能良好，已具備開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件。

一、橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)特點(diǎn)

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)頁(yè)巖氣水平井泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂工藝技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了可溶性橋塞，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由中心管、錨定機(jī)構(gòu)、密封膠筒及丟手環(huán)組成。其中，中心管是整個(gè)橋塞的零件載體，上接頭、卡瓦載體、錐體、保護(hù)環(huán)及膠筒與中心管均為間隙配合，下接頭與中心管為螺紋連接，丟手環(huán)與中心管為螺紋連接。橋塞坐封時(shí)，在坐封工具適配器推力作用下，卡瓦載體沿錐體斜面滑動(dòng)并張開(kāi)，膠筒沿中心管方向被壓縮膨脹并實(shí)現(xiàn)密封，當(dāng)壓縮力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)丟手環(huán)螺紋被剪切，完成丟手。

圖1 可溶性橋塞結(jié)構(gòu)示意圖

橋塞基體為可溶性鎂基合金材料，其溶解速率與環(huán)境溫度和浸泡流體含鹽濃度有關(guān)；錨定機(jī)構(gòu)為可溶載體鑲嵌鑄鐵卡瓦牙，載體溶解后鑄鐵卡瓦塊可用文丘里或強(qiáng)磁工具撈出；密封件為可溶性膠筒，是一種不可逆材料，溶解后呈碎粒狀，易返排?；w及膠筒材料均可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井況及壓裂工藝要求進(jìn)行匹配。

2.主要技術(shù)參數(shù)

適用于外徑139.7 mm、壁厚12.7 mm套管，橋塞外徑103 mm，內(nèi)徑28 mm，長(zhǎng)度550 mm，設(shè)計(jì)坐封丟手值150 kN，工作壓差70 MPa，工作溫度90℃～100℃，配套可溶球外徑43 mm，壓裂液有效密封時(shí)間不低于24 h，返排液地層條件全溶時(shí)間不超過(guò)15 d，可溶率不低于95%。

3.主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)錨定機(jī)構(gòu)采用雙向卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，坐封時(shí)提供穩(wěn)定的鎖緊力，壓裂時(shí)提供可靠的錨定力，施工中若遇砂堵等異常情況允許開(kāi)井放噴。

(2)丟手方式為丟手環(huán)剪切螺紋脫手，丟手環(huán)材質(zhì)為鎂基合金可溶材料，較傳統(tǒng)剪切銷(xiāo)釘丟手方式更加安全可靠，且不會(huì)在井內(nèi)殘留多余的不溶物。

(3)橋塞上下端采用嚙合設(shè)計(jì)，為異常情況下的應(yīng)急鉆磨提供條件。

二、關(guān)鍵部件性能測(cè)試

1.卡瓦錨定性能測(cè)試

卡瓦錨定性能測(cè)試裝置如圖2所示，根據(jù)圖示進(jìn)行裝配，卡瓦底部采用工形底座支撐，卡瓦及錐體套于中心管上，材料試驗(yàn)機(jī)壓桿對(duì)承力座進(jìn)行加載。首先模擬橋塞坐封丟手過(guò)程，加載下壓力至150 kN，壓桿下行13.5 mm，卡瓦錨定在套管內(nèi)壁上；然后模擬橋塞壓裂承載過(guò)程，取出工形底座后繼續(xù)加載下壓力至680 kN，壓桿下行3.3 mm，卡瓦下端面無(wú)位移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明卡瓦錨定性能可靠，能夠滿(mǎn)足壓裂施工要求。

2.膠筒密封性能測(cè)試

膠筒密封性能測(cè)試裝置如圖3所示，根據(jù)圖示進(jìn)行裝配，膠筒底部采用支撐塊支撐，膠筒及上、下保護(hù)環(huán)套于中心管上，中心管下部設(shè)計(jì)鎖緊機(jī)構(gòu)，材料試驗(yàn)機(jī)壓桿對(duì)中心管進(jìn)行加載。首先模擬橋塞坐封丟手過(guò)程，加載下壓力至150 kN，中心管下行48.9 mm，膠筒被壓縮脹開(kāi)密封中心管與套管環(huán)空；然后模擬橋塞壓裂承壓過(guò)程， 中心管鎖緊后試驗(yàn)機(jī)卸載，套管上端連接試壓泵管線(xiàn)，打壓至70 MPa，保壓15 min，無(wú)壓降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明膠筒密封性能良好，能夠滿(mǎn)足壓裂施工要求。

圖2 卡瓦錨定性能測(cè)試裝置

圖3 膠筒密封性能測(cè)試裝置

3.丟手環(huán)剪切值測(cè)試

丟手環(huán)剪切值測(cè)試裝置如圖4所示，根據(jù)圖示進(jìn)行裝配，丟手環(huán)與丟手桿連接好后置于試件座內(nèi)，接頭與試件座連接后固定在試驗(yàn)機(jī)上夾板上，試驗(yàn)機(jī)下夾板夾持住丟手桿并進(jìn)行加載。利用該裝置對(duì)8種不同規(guī)格的丟手環(huán)進(jìn)行了剪切值測(cè)試，其中螺紋規(guī)格M27×3 mm丟手環(huán)平均剪切值為153 kN，與設(shè)計(jì)值相匹配。

三、橋塞整體性能測(cè)試

為了驗(yàn)證自主研發(fā)的可溶性橋塞整體性能，先后開(kāi)展了橋塞坐封丟手性能測(cè)試、高溫承壓密封性能測(cè)試及溶解性能測(cè)試。

圖4 丟手環(huán)剪切值測(cè)試裝置

1.橋塞坐封丟手性能測(cè)試

利用智能水壓試驗(yàn)裝置和貝克20#液壓坐封工具將可溶性橋塞試制樣機(jī)坐封于套管工裝內(nèi)，測(cè)試過(guò)程橋塞與坐封工具匹配良好，橋塞順利坐封丟手，丟手壓力12.3 MPa(折算丟手力約155 kN)與設(shè)計(jì)值相吻合，坐封丟手曲線(xiàn)如圖5所示，測(cè)試結(jié)果表明橋塞丟手方式設(shè)計(jì)合理，丟手值穩(wěn)定可靠。

圖5 橋塞整體性能測(cè)試坐封丟手曲線(xiàn)

2.橋塞承壓密封性能測(cè)試

為了驗(yàn)證可溶性橋塞的高溫承壓密封性能，將套管工裝置于高溫實(shí)驗(yàn)裝置中，加溫至93℃待溫度穩(wěn)定后緩慢升壓至70 MPa，穩(wěn)壓24 h后保壓15 min，無(wú)明顯壓降，承壓實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖6所示，測(cè)試結(jié)果表明橋塞承壓密封性能能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工要求。

圖6 橋塞整體性能承壓實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

3.橋塞溶解性能測(cè)試

將承壓實(shí)驗(yàn)后的可溶性橋塞試樣浸泡于93℃、氯根濃度1%的返排液中，連續(xù)高溫浸泡14.5 d后，橋塞質(zhì)量由初始6 543 g下降至240 g，溶解率達(dá)96.3%，溶解實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖7所示，測(cè)試結(jié)果表明橋塞溶解性能良好，能夠滿(mǎn)足后期生產(chǎn)測(cè)試等作業(yè)對(duì)井筒條件的要求。

圖7 橋塞整體性能溶解實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

四、結(jié)論及建議

(1)自主研發(fā)的可溶性橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，材料選型恰當(dāng)，各部件性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，適用于頁(yè)巖氣水平井分段壓裂工藝技術(shù)。

(2)整體性能測(cè)試結(jié)果表明，橋塞丟手方式設(shè)計(jì)合理，高溫承壓密封性能穩(wěn)定，溶解性能良好，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工及后期測(cè)試對(duì)井筒條件的要求。

(3)該橋塞順利通過(guò)室內(nèi)測(cè)試，已具備入井條件，建議開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)橋塞性能。