劉 輝，喻 冰，楊 海，李 明，嚴俊濤

(1中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院2四川圣諾油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司)

可溶橋塞分段壓裂技術(shù)是頁巖氣藏開發(fā)領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，該技術(shù)在壓裂時提供穩(wěn)定的層間封隔，壓裂完成后無需鉆磨橋塞，僅依靠井筒內(nèi)溫度及液體環(huán)境即可實現(xiàn)完全溶解，保證井筒全通徑，為后期生產(chǎn)測試提供有利條件［1－6］?？扇軜蛉腻^定卡瓦有異于常見的鑄鐵卡瓦和復(fù)合材料卡瓦，除了需要提供可靠的套管錨定力和膠筒鎖緊力之外，還必須具備良好的溶解性能及返排能力。鑒于此，通過技術(shù)攻關(guān)，研制了適合于錨定在外徑139．7 mm、壁厚12．7 mm套管內(nèi)，與外徑103 mm橋塞匹配的分瓣式可溶材料鑲齒卡瓦，并開展了室內(nèi)測試。

一、可溶材料鑲齒卡瓦研制

1．結(jié)構(gòu)設(shè)計

可溶材料鑲齒卡瓦設(shè)計為分瓣式結(jié)構(gòu)，由8片可溶材料載體、8塊小卡瓦及2個箍環(huán)組成，可溶載體尺寸為長59 mm×寬32 mm×厚17 mm，小卡瓦尺寸為長22 mm×寬16 mm×厚6．5 mm，箍環(huán)尺寸為外徑101 mm×內(nèi)徑96 mm×環(huán)高3．2 mm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2．工作原理

可溶材料鑲齒卡瓦套在橋塞中心管上，膠筒上下各匹配一個，利用坐封工具產(chǎn)生的推力擠壓卡瓦端面與中心管產(chǎn)生相對運動，隨著擠壓力的增大，箍環(huán)斷裂，卡瓦繼續(xù)沿著錐體滑道移動，緊緊的錨定在套管內(nèi)壁上，最終達到支撐橋塞、鎖緊膠筒的效果。壓裂施工結(jié)束后，卡瓦在井下溫度及液體環(huán)境中逐漸溶解并隨返排液排出井筒。

圖1可溶材料鑲齒卡瓦結(jié)構(gòu)示意圖

3．材質(zhì)優(yōu)選

載體材質(zhì)選用鎂基合金可溶材料，能夠提供足夠支撐力的同時與橋塞本體具有一致的溶解性能;小卡瓦材質(zhì)的選擇首要考慮其與套管錨定的可靠性，為了把風險控制到最低，小卡瓦還應(yīng)同時具備返排性能和可打撈功能，因此小卡瓦材質(zhì)選用低密度高硬度磁性材料。

二、鑲齒卡瓦有限元分析

1．有限元模型建立

運用有限元分析方法對鑲齒卡瓦錨定過程中的彈塑性接觸進行了模擬計算，為了確保計算精確，采用三維全尺寸模型，模擬鑲齒卡瓦錨定過程，對錐體施加承載力50 MPa，對套管壁及中心桿施加位移約束［7－9］。計算模型包含單元63 051個，節(jié)點350 889個，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2有限元模型示意圖

2．有限元計算結(jié)果分析

根據(jù)模型的彈塑性接觸有限元分析結(jié)果，得到套管內(nèi)壁接觸力和接觸應(yīng)力分布云圖(圖3)。卡瓦與套管接觸產(chǎn)生接觸力，從云圖中發(fā)現(xiàn)卡瓦張開后周向均勻分布，各卡瓦牙在套管內(nèi)壁產(chǎn)生的接觸力、接觸應(yīng)力大小也相當接近，說明橋塞坐封后能很好居中，各方向均勻錨定，不會出現(xiàn)明顯薄弱點。套管內(nèi)壁與卡瓦接觸部位的最大接觸力、接觸應(yīng)力達到13．566 kN和227 MPa，表明卡瓦牙在套管內(nèi)壁錨定可靠。

圖3套管內(nèi)壁接觸力和接觸應(yīng)力分布云圖

三、鑲齒卡瓦實驗測試

為了檢驗可溶材料鑲齒卡瓦的錨定可靠性和溶解性能，利用萬能材料試驗機對鑲齒卡瓦的運動、錨定和壓裂承載過程進行了測試，利用電控恒溫水浴裝置提供井下高溫、流體條件，模擬了鑲齒卡瓦的溶解過程。

1．實驗測試設(shè)備及工裝

GT－7001－LAS100型萬能材料試驗機作為本試驗的動力模塊，其最大驅(qū)動推力1 000 kN，速度控制范圍0．01～70 mm/min，壓縮有效行程790 mm。試驗用管材與現(xiàn)場應(yīng)用套管一致，外徑139．7 mm，內(nèi)徑114．3 mm，長度400 mm，鋼級BG125V?？扇芑w鑲齒卡瓦試驗評價工裝由模擬中心管、支撐錐體和承力座組成，工裝示意圖如圖4所示。

圖4試驗評價工裝示意圖

2．實驗測試步驟

(1)按照圖4所示的試驗工裝連接好各部件，調(diào)節(jié)萬能材料試驗機壓桿高度，將試驗工裝置于萬能材料試驗機基座上，調(diào)整工裝位置使其中心與壓桿中心軸線對齊。

(2)在試驗工裝外部套入套管，應(yīng)盡量保證試驗工裝與套管同心，調(diào)節(jié)萬能材料試驗機壓桿高度，使其下端面與試驗工裝上端面接觸。

(3)啟動萬能材料試驗機控制系統(tǒng)，設(shè)置驅(qū)動推力上限值150 kN(模擬橋塞坐封丟手值150 kN)，壓桿下行速度10 mm/min，確認后開始進行卡瓦錨定模擬試驗。

(4)卡瓦錨定后，從套管底部取出承力座，釋放鑲齒卡瓦下部支撐力，重新調(diào)節(jié)壓桿高度，設(shè)置驅(qū)動推力上限值500 kN(模擬橋塞壓裂承載壓差50 MPa)，壓桿下行速度5 mm/min，確認后開始進行壓裂承載模擬試驗。

(5)向電控恒溫水浴裝置內(nèi)加入取自現(xiàn)場某頁巖氣井的返排液20 L，返排液氯離子濃度約1%，設(shè)置恒溫值90℃。待液體溫度達到設(shè)定值后，將8片鑲齒卡瓦浸泡于液體環(huán)境中進行溶解試驗。

3．實驗測試結(jié)果分析

在卡瓦錨定模擬試驗中，萬能材料試驗機下壓力達到約12 kN時，2組箍環(huán)先后破裂，壓桿繼續(xù)下行，當下壓力達到150 kN時，卡瓦上端面行程13．5 mm，鑲齒卡瓦完成錨定，卡瓦錨定模擬試驗曲線如圖5所示。

在壓裂承載模擬試驗中，萬能材料試驗機下壓力達到500 kN時，卡瓦上端面行程3．3 mm，卡瓦下端面幾乎無位移，試驗結(jié)果表明可溶基體鑲齒卡瓦在套管內(nèi)錨定可靠，壓裂承載模擬試驗曲線如圖6所示。

鑲齒卡瓦在90℃高溫、氯根含量約1%的返排液環(huán)境中浸泡6．5 d后，基體全部溶解，日溶解率約16．38%，試驗結(jié)果表明可溶基體鑲齒卡瓦溶解性能良好，鑲齒卡瓦溶解試驗曲線如圖7所示。

圖5卡瓦錨定模擬試驗曲線

圖6壓裂承載模擬試驗曲線

圖7鑲齒卡瓦溶解試驗曲線

四、結(jié)論

(1)可溶橋塞的錨定卡瓦有異于常見的鑄鐵卡瓦和復(fù)合材料卡瓦，除了需要提供可靠的套管錨定力和膠筒鎖緊力之外，還必須具備良好的溶解性能及返排能力。

(2)當下壓力達到150 kN時，卡瓦上端面行程13．5 mm，鑲齒卡瓦完成錨定。萬能材料試驗機下壓力達到500 kN時，卡瓦上端面行程3．3 mm，卡瓦下端面幾乎無位移。鑲齒卡瓦在90℃高溫、氯根含量約1%的返排液環(huán)境中浸泡6．5 d后，基體全部溶解，日溶解率約16．38%。

(3)測試結(jié)果表明可溶材料鑲齒卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選型合理，在套管內(nèi)壁錨定承載性能可靠，溶解性能良好，能夠滿足現(xiàn)場壓裂施工要求。