張龍富

摘要：目前，可溶解橋塞已替代易鉆復(fù)合橋塞，并廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣藏的分段壓裂完井作業(yè)中。但是，現(xiàn)有的可溶橋塞只能封隔橋塞上部壓力，不能封閉井下高壓，因此在壓裂結(jié)束后的更換試氣井口環(huán)節(jié)，仍需下入常規(guī)易鉆橋塞封閉井下高壓。為解決這一問題，開發(fā)了一種頁巖氣井用全封可溶橋塞，更換井口裝置作業(yè)完成后，井口憋壓即可擊穿橋塞，建立產(chǎn)氣通道。闡述了該工具的結(jié)構(gòu)、工作原理和工藝流程。地面試驗(yàn)結(jié)果表明，該橋塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，密封承壓和溶解性能滿足技術(shù)要求。研制的全封可溶橋塞在NC204-1HF井應(yīng)用，不需要連續(xù)油管鉆塞作業(yè)，節(jié)省了施工周期和成本。

關(guān)鍵詞：可溶橋塞; 全封; 井口; 頁巖氣

中圖分類號(hào)：TE934.203? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.011

Abstract：The soluble bridge plugs currently have been widely used in staged fracturing and completion operations of unconventional oil and gas reservoirs instead of easy-to-drill composite bridge plugs. The existing soluble bridge plugs can only seal off the upper pressure of the bridge plugs， without the function of sealing off the downhole high pressure. It is still necessary to use the conventional easy-to-drill bridge plugs to seal off the downhole high pressure in the stage of replacing the wellhead after fracturing. A fully sealed soluble bridge plug for shale gas wells was developed. During the operation of replacing wellhead equipment， the bridge plug can be broken down to establish a gas production channel， and the working principle and technological process of the tool were introduced. The ground test results show that the structural design of the tool is reasonable， and the pressure bearing and dissolution performance meet the application requirements. The fully sealed soluble bridge plug has been successfully applied in well NC204-1HF， which has avoided the plug drilling operation by coiled tubing， and saved construction period and cost.

Key words：soluble bridge plug; fully sealed; well head; shale gas

泵送橋塞射孔聯(lián)作工藝技術(shù)是非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層改造的主流技術(shù)［1-4］，能夠?qū)崿F(xiàn)1次下井、分簇射孔、分段壓裂，具有施工速度快、壓裂級(jí)數(shù)不受限制等優(yōu)點(diǎn)。油氣田開發(fā)初期，使用復(fù)合橋塞進(jìn)行壓裂后，必須再次下入連續(xù)油管對(duì)復(fù)合橋塞進(jìn)行鉆磨返排，才能進(jìn)行完井投產(chǎn)［5-7］。隨著水平井段長(zhǎng)度的不斷增加，鉆磨橋塞的風(fēng)險(xiǎn)和成本也不斷加大?？扇軜蛉捎谄鋲毫押罂勺孕腥芙?，實(shí)現(xiàn)井筒全通徑，解決了復(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，已成為國(guó)內(nèi)頁巖氣分段壓裂的主力壓裂工具［8-10］。

目前，國(guó)內(nèi)頁巖氣井在壓裂結(jié)束后、試氣過程中需要更換井口裝置，即，將壓裂井口更換為試氣井口?，F(xiàn)場(chǎng)更換井口作業(yè)時(shí)需先在井內(nèi)下入橋塞以封閉井下高壓。雖然可溶橋塞已廣泛應(yīng)用于石油工程完井分段壓裂作業(yè)領(lǐng)域中。但是，現(xiàn)有的可溶橋塞只能封隔橋塞上部壓力，不能封閉井下高壓，因此不能應(yīng)用于更換井口裝置作業(yè)環(huán)節(jié)中［11-14］。目前，現(xiàn)場(chǎng)通常使用易鉆復(fù)合橋塞封閉井內(nèi)壓力，待試氣隊(duì)更換井口完畢后，為連通井內(nèi)產(chǎn)氣通道，需采用連續(xù)油管鉆除復(fù)合橋塞，進(jìn)而連通井口與地層。這樣既增加了作業(yè)成本和施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又延誤了投產(chǎn)時(shí)間［15-17］。

本文研制了一種頁巖氣井用全封可溶橋塞，適用于更換井口作業(yè)，或因特殊需要在水平井段封閉下部已壓裂井段的作業(yè)，解決常規(guī)復(fù)合橋塞的鉆除問題，同時(shí)規(guī)避連續(xù)油管復(fù)雜作業(yè)的需求，管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。作業(yè)完畢后，井口憋壓即可擊穿全封可溶橋塞，實(shí)現(xiàn)頁巖氣井的快速投產(chǎn)，且橋塞后期可在井內(nèi)環(huán)境下自行溶解，無需鉆除作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)全通徑，便于后續(xù)的施工作業(yè)。

1 全封可溶橋塞結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

全封可溶橋塞結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由中心管、壓環(huán)、上卡瓦、上錐體、膠筒、下錐體、下卡瓦、下接頭和可溶堵頭等組成。其中，中心管用于聯(lián)接橋塞與專用坐封工具，保障橋塞坐封后可以通過剪切銷釘實(shí)現(xiàn)坐封工具與橋塞丟手，釋放橋塞。上下卡瓦和上下錐體組成了上下雙向錨定機(jī)構(gòu)，主要功能是將橋塞錨定在預(yù)定的套管內(nèi)壁上，為橋塞定位提供足夠的軸向錨定力，同時(shí)為膠筒提供內(nèi)部自鎖力，為橋塞密封提供保障。膠筒由上中下3個(gè)膠筒、4級(jí)肩部保護(hù)機(jī)構(gòu)（下膠筒座、兩級(jí)固定式保護(hù)碗、活動(dòng)式保護(hù)塊）組成，主要功能是在外力的擠壓下膠筒產(chǎn)生變形，并封隔套管環(huán)空。固定式和活動(dòng)式肩部保護(hù)機(jī)構(gòu)通過外力擠壓產(chǎn)生徑向變形，為膠筒提供肩部保護(hù)，提高膠筒的密封性能，使橋塞具有高壓密封能力。下接頭主要為橋塞提供導(dǎo)向作用?？扇芏骂^通過剪切銷釘與下接頭固定，當(dāng)橋塞坐封時(shí)，膠筒和堵頭同時(shí)作用，封堵井下高壓。

1.2 工藝原理

當(dāng)需要進(jìn)行更換井口裝置，或因特殊需要在水平井段封閉下部已壓裂井段時(shí)，將全封可溶橋塞與坐封工具連接，然后通過電纜下放到井筒內(nèi)的指定位置。坐封工具通過點(diǎn)火坐封，或者加液壓坐封橋塞。當(dāng)全封可溶橋塞坐封之后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井內(nèi)壓裂層段的封堵，回收坐封工具，此時(shí)可更換井口裝置。

全封可溶橋塞坐封時(shí)，坐封工具推動(dòng)壓環(huán)，進(jìn)而擠壓上卡瓦、上錐體、膠筒組件、下錐體和下卡瓦。坐封后，上卡瓦和下卡瓦撐開卡到套管內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)雙向錨定，同時(shí)膠筒組件壓縮緊貼到套管內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)密封。當(dāng)更換井口裝置作業(yè)完畢后，井口管內(nèi)憋壓，壓力作用到堵頭上，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，剪斷銷釘，堵頭被擊穿。

全封橋塞擊穿后即連通了井內(nèi)和地層，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣井的快速投產(chǎn)。由于全封可溶橋塞所有零件均為可溶材料，可在井內(nèi)清水、壓裂液、地層水、完井液等液體中自行溶解，從而實(shí)現(xiàn)了井筒內(nèi)的全通徑，不影響后續(xù)作業(yè)的實(shí)施。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適用于外徑139.7 mm、壁厚12.34 mm套管。橋塞外徑102 mm，內(nèi)徑30 mm，長(zhǎng)度500 mm。設(shè)計(jì)坐封丟手力為140～160 kN，耐下部壓差70 MPa，耐上部壓差50 MPa。橋塞擊穿壓力為8～10 MPa，工作溫度90～110 ℃。清水或礦化度介質(zhì)環(huán)境下，橋塞的有效密封時(shí)間不低于24 h。返排液地層條件下，橋塞全溶解時(shí)間為7～10 d。

1.4 主要技術(shù)特點(diǎn)

1） 雙向錨定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，坐封時(shí)提供穩(wěn)定的鎖緊力，可實(shí)現(xiàn)雙向高承壓，既能滿足井內(nèi)封堵高壓需求，又能承受正向壓力而使橋塞擊穿。

2） 堵頭單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了銷釘上部低壓剪斷，下部封堵高壓不剪斷的特殊要求。

3） 所有零部件完全可溶，解決了常規(guī)復(fù)合橋塞的鉆除問題，同時(shí)規(guī)避連續(xù)油管復(fù)雜作業(yè)的需求，節(jié)約作業(yè)成本及時(shí)間。

2 全封可溶橋塞關(guān)鍵技術(shù)及測(cè)試

2.1 雙向卡瓦錨定技術(shù)

常規(guī)可溶橋塞采用單向卡瓦錨定技術(shù)，只能承受上部壓力。全封可溶橋塞需滿足雙向承壓，即，既需要封堵下部井內(nèi)壓力，又需要承受擊穿橋塞時(shí)所需的上部壓力。因此，全封可溶橋塞采用雙向卡瓦錨定技術(shù)，為橋塞定位提供足夠的軸向錨定力，同時(shí)為膠筒提供內(nèi)部自鎖，為橋塞密封提供保障。

全封可溶橋塞的錨定卡瓦除了要求提供可靠的錨定力外，還需兼顧溶解性。卡瓦采用分瓣式結(jié)構(gòu)，周向均布8塊分瓣卡瓦，通過箍環(huán)固定在一起，每片卡瓦上鑲嵌若干個(gè)陶瓷顆粒，如圖3所示?？ㄍ卟牧线x擇溶解速率較低的鎂基合金，同時(shí)保證錨定力和溶解性能。陶瓷顆粒材料優(yōu)選密度低、硬度高的氧化鋯陶瓷材料。

對(duì)卡瓦的雙向錨定能力進(jìn)行測(cè)試。采用液壓坐封工具加壓，使橋塞坐封，坐封載荷為150 kN，穩(wěn)壓5 min。之后環(huán)空加載，測(cè)試卡瓦的錨定能力。卡瓦最高懸掛載荷為1 080 kN，卡瓦及承載顆粒碎裂，卡瓦發(fā)生滑移，即，全封可溶橋塞可承壓90 MPa。

2.2 正向擊穿機(jī)構(gòu)及測(cè)試

全封可溶橋塞的擊穿結(jié)構(gòu)采用可溶堵頭，反向壓力通過臺(tái)階控制，井內(nèi)高壓不會(huì)造成堵頭剪切失效。正向擊穿通過銷釘控制，8～10 MPa壓力即可擊穿。

全封可溶橋塞組裝完成后與電纜坐封裝置（液壓加壓）連接，將橋塞插入外徑139.7 mm（Q125）套管中，連接加壓管線，加壓力至170 kN橋塞順利丟手并坐封。然后橋塞正向加壓8.6 MPa，順利擊穿橋塞堵頭。堵頭擊穿壓力曲線如圖4所示，擊穿壓力與設(shè)計(jì)相符。

2.3 可控溶解技術(shù)及測(cè)試

1） 膠筒溶解測(cè)試。

可溶膠筒以氯醇等為基體材料，包裹堿、堿式鹽等為降解劑，溶后為顆粒沉淀。膠筒制備完成后，分別在不同礦化度溶液和不同溫度下進(jìn)行溶解性能測(cè)試。在90 ℃ 、KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%溶液中，58 h后膠筒硬度快速下降，7 d后溶解為顆粒狀，如圖5所示。膠筒溶解速率曲線如圖6所示。

2） 穩(wěn)定承壓測(cè)試。

為了驗(yàn)證全封可溶橋塞的穩(wěn)定承壓密封性能，將套管工裝置于高溫實(shí)驗(yàn)裝置中，試驗(yàn)介質(zhì)為清水，加溫至90 ℃。待溫度穩(wěn)定后緩慢升壓至70 MPa，穩(wěn)壓15 min后，保持壓力在50 MPa左右，累計(jì)保壓27 h。承壓試驗(yàn)曲線如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明，全封可溶橋塞在清水介質(zhì)中的穩(wěn)定承壓密封時(shí)間大于24 h，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)更換井口作業(yè)施工要求。

3） 整體溶解測(cè)試。

全封可溶橋塞整體置于90 ℃、KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液中，測(cè)試橋塞整體溶解時(shí)間。經(jīng)過168 h后，橋塞全部溶解，如圖8所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

NC204-1HF井是1口頁巖氣開發(fā)井，井深5 395 m，壓裂結(jié)束后井口壓力15.8 MPa。根據(jù)施工要求，該井首次應(yīng)用全封可溶橋塞。施工前，井筒內(nèi)替入清水，橋塞下深3 202 m，順利完成橋塞坐封和丟手作業(yè)，井口壓力降至0 MPa，井內(nèi)壓力封堵成功。井口裝置更換完成后，地面憋壓25.3 MPa擊穿橋塞，建立流通通道，開始放噴采氣。

應(yīng)用全封可溶橋塞，可避免地面連續(xù)油管設(shè)備動(dòng)用，大幅度降低了完井成本，縮短了建井周期，實(shí)現(xiàn)了該井的壓后氣井快速投產(chǎn)。

4 結(jié)論

1） 自主研發(fā)的全封可溶性橋塞結(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，適用于更換井口裝置作業(yè)工藝。解決了常規(guī)復(fù)合橋塞的鉆除問題，節(jié)約施工周期和成本。

2） 整體性能測(cè)試結(jié)果表明，全封可溶橋塞的雙向錨定功能可靠，長(zhǎng)時(shí)間承壓密封性能穩(wěn)定，溶解性能良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

3） 全封可溶橋塞在頁巖氣井的成功應(yīng)用驗(yàn)證了該工具的可靠性，建議推廣應(yīng)用。

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