朱正喜

(中國石油長城鉆探工程有限公司 壓裂公司，遼寧 盤錦 124010)

頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)、裝備的創(chuàng)新與突破，已成為國內(nèi)石油公司實(shí)現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)[1-3]。橋塞工具作為頁巖氣分段壓裂改造的主體工具，在北美超過85%的頁巖氣井中使用，而國內(nèi)頁巖氣井則全部采用橋塞工具進(jìn)行壓裂施工。

相比較速鉆橋塞、大通徑橋塞，可溶橋塞在壓后一定時(shí)間內(nèi)，橋塞本體和膠筒等自行溶解，實(shí)現(xiàn)全通徑管柱生產(chǎn)，具有綜合成本低、投產(chǎn)時(shí)間短、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)以及可實(shí)現(xiàn)二次改造的優(yōu)點(diǎn)[4-6]。2016—2017年，國內(nèi)各大頁巖氣區(qū)塊從局部井段試驗(yàn)應(yīng)用可溶橋塞、擴(kuò)展到全井段應(yīng)用。從現(xiàn)場應(yīng)用來看，國內(nèi)應(yīng)用可溶橋塞基本依賴進(jìn)口，成本高昂，且未達(dá)到完全可溶。開展國產(chǎn)可溶橋塞工具的研制，有利于降低國內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層改造成本，提高改造效果。

對可溶橋塞工具的總體要求是“下到位、丟得開、密封嚴(yán)、全溶解”，即，要求可溶橋塞滿足常規(guī)壓裂施工，且施工結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)，橋塞能在井液中自行溶解和返排，無需人工干預(yù)而獲得全通徑井眼，利于進(jìn)行生產(chǎn)。

1 國內(nèi)外可溶橋塞性能對比

1) 貝克休斯公司。SPECTRE可溶橋塞的本體由高強(qiáng)度的電解納米金屬材料(CEM)制成，膠筒材質(zhì)為聚氨酯，單卡瓦結(jié)構(gòu)，卡瓦表面鎳基合金涂層，溶解速率與礦化度和溫度相關(guān)，膠筒和卡瓦涂層溶解后呈細(xì)小碎片，可返排出井筒(如圖1)。在北美油田使用超過500只，在中國吉林油田、四川頁巖氣等區(qū)塊應(yīng)用超過100只。

圖1 貝克休斯公司SPECTRE可溶橋塞

2) 哈里伯頓公司。ILLUSION可溶性橋塞的卡瓦鑲嵌陶瓷粒，如圖2所示。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測試，在井溫95 ℃、KCL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，橋塞溶解時(shí)間為17 d。該橋塞在Eagle Ford, Bakken,和Woodford區(qū)塊成功應(yīng)用，在中國吐哈油田、四川頁巖氣田等也有應(yīng)用。

圖2 哈里伯頓公司ILLUSION可溶橋塞

3) MAGNUM公司。第三代MVP可溶橋塞如圖3所示，單膠筒無背環(huán)，整體卡瓦鑲嵌卡瓦牙顆粒，熱塑性高分子生物降解材料，溶解率98%。膠筒在溶解后經(jīng)液體沖擊呈碎粒狀，易返排，在浙江頁巖氣區(qū)塊大量應(yīng)用。

圖3 Magnum公司MVP可溶橋塞

4) 斯倫貝謝公司。INFINITY可溶球座如圖4所示，外徑111.5 mm，無橡膠件，需要預(yù)制接球座套管短節(jié)，溶解率99.7%。在美國多個(gè)非常規(guī)油氣藏進(jìn)行了應(yīng)用，使用數(shù)量超過250只。

圖4 斯倫貝謝公司INFINITY可溶球座

5) 中石油勘探院。從2015年立項(xiàng)研發(fā)，三膠筒帶整體背環(huán)結(jié)構(gòu)，分瓣卡瓦鑲嵌預(yù)制破片，可在一定的溫度和壓力下崩解成碎片，易于返排。針對四川頁巖氣田，形成了?85、?95 mm兩種規(guī)格的可溶橋塞，如圖5所示。在國內(nèi)各個(gè)頁巖氣區(qū)塊都有應(yīng)用。

圖5 中石油勘探院可溶球座

國內(nèi)外可溶橋塞的技術(shù)參數(shù)及現(xiàn)場施工情況如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，中石油勘探院研制的可溶橋塞的外徑最小，下入性能優(yōu)于國外的橋塞。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，國內(nèi)外的可溶橋塞均未能滿足全可溶的要求，需要連續(xù)油管帶磨鞋通井。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 工作時(shí)效

無論是基于鎂基、鋁基可溶金屬，還是高分子熱塑材料的可溶橋塞，都可以通過調(diào)整配方來達(dá)到調(diào)節(jié)溶解速率的目的。早期的研究中，關(guān)注較多的是能否達(dá)到溶解的要求，認(rèn)為溶解的越快越好。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)可溶橋塞的使用有諸多限制，例如橋塞入井后就必需壓裂施工，若在井中停留一夜，可能造成橋塞溶解過多而降低橋塞壓裂時(shí)承壓性能。若使用慢溶的材料，達(dá)不到油田甲方要求壓后快速投產(chǎn)的需求，通常需要連續(xù)油管鉆磨橋塞，增加費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。

表1 國內(nèi)外可溶橋塞參數(shù)對比

因此，若采取速溶材料，橋塞入井至壓裂的時(shí)間間隔就較短，總體溶解時(shí)間也較短。相反，若采取慢溶材料，橋塞入井至壓裂的時(shí)間間隔就可以很長，隨之總體溶解時(shí)間越長。為使橋塞入井至壓裂的時(shí)間間隔滿足下橋塞及壓裂施工需求，且總體溶解時(shí)間達(dá)到油田甲方的要求，提出了可溶橋塞的“工作時(shí)效”這一概念。工作時(shí)效為橋塞入井至壓裂的時(shí)間間隔，按照現(xiàn)有的頁巖氣施工模式，可溶橋塞的工作時(shí)效為24 h，可以滿足頁巖氣井現(xiàn)場施工的需要，即，從可溶橋塞入井時(shí)開始計(jì)算，24 h內(nèi)都可以進(jìn)行壓裂施工。任何針對可溶橋塞的性能測試均可參照24 h的工作時(shí)效進(jìn)行。

2.2 卡瓦表面處理

針對四川頁巖氣井，耐壓差70 MPa的可溶橋塞的卡瓦需具有740 kN的錨定力。由于可溶材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于石油管材，且熔點(diǎn)低，無法通過熱處理來提高表面硬度，因此，通常采用在可溶材料表面復(fù)合一層硬質(zhì)顆粒來提高表面硬度。

依照施工現(xiàn)場對橋塞全可溶的要求，需要復(fù)合的硬質(zhì)顆粒達(dá)到隨液體全部返排出來的性能，即，密度低，顆粒小。目前，貝克休斯的鎳基合金涂層卡瓦(如圖6a)，厚度0.25 ～ 0.38 mm。鎳基合金在返排液環(huán)境中逐漸降解剝落，形成6～25 mm的條狀碎片(如圖6b)，隨返排返回地面，不影響返排和生產(chǎn)。中石油勘探院的預(yù)制破片卡瓦(如圖7a)，確保橋塞承壓可靠、壓后自行破碎成幾毫米碎片(如圖7b)。

a 卡瓦實(shí)物

b 溶解后的卡瓦碎片

2.3 卡瓦破碎力

在下橋塞施工中，橋塞主要承受射孔槍串的重力，以及下入時(shí)槍串?dāng)[動(dòng)而撞擊井壁的橫向沖擊力[7-10]。在一些極限狀態(tài)下，例如槍串遇卡等，橋塞上面的部件需承受較大的軸向力，確保槍串拉斷時(shí)橋塞也不被破壞。

a 卡瓦實(shí)物

b 溶解后的卡瓦碎片

因此，需設(shè)計(jì)一些抗沖擊的安全結(jié)構(gòu)，保障橋塞下入安全?？ㄍ呤菢蛉Y(jié)構(gòu)中最容易受破壞的部件，結(jié)構(gòu)型式有帶預(yù)應(yīng)力槽的整體卡瓦、或帶箍環(huán)的分瓣式卡瓦，既要滿足橋塞坐封時(shí)卡瓦比較容易張開，又要保證在下橋塞時(shí)遇異常情況下卡瓦不要張開。

合理設(shè)置卡瓦的張開力，其安全的下限值是電纜的拉斷力值，推薦25 kN。

2.4 可溶膠筒

可溶膠筒需要在壓裂時(shí)密封井筒，以及壓后一段時(shí)間內(nèi)溶解并返排出井筒?，F(xiàn)有的可溶膠筒材料按照溶解原理可分為水溶橡膠和降解式橡膠，溶解與溫度相關(guān)。從溶解物來看，水溶膠筒的溶解物呈泥狀、無強(qiáng)度(如圖8)，而降解式膠筒的溶解物為膠筒碎片(如圖9)。因此，前者的溶解性能要優(yōu)于后者，但是后者的強(qiáng)度要優(yōu)于前者。

圖9 降解式膠筒施工后殘留物

在膠筒配方調(diào)整中，需要重點(diǎn)考慮膠筒的工作時(shí)效，避免橋塞失封。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，常測取膠筒試樣浸泡前后的拉斷強(qiáng)度，并對比分析判斷該膠筒配方是否符合要求。有廠家在膠筒表面設(shè)計(jì)了特殊的防水涂層，例如貝克休斯和中石油勘探院等。另外，雖然通過添加一些纖維等增強(qiáng)膠筒強(qiáng)度，但是浸泡后膠筒的擠出效應(yīng)還是很明顯，需要設(shè)計(jì)合理的背環(huán)。

2.5 下接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

早期在可溶橋塞的設(shè)計(jì)中考慮了鉆磨結(jié)構(gòu)，例如上下接頭的斜面，卡瓦與錐體的互卡機(jī)構(gòu)等。隨著可溶橋塞的應(yīng)用增多，熟悉了各項(xiàng)性能，針對異常情況處理也有了很多手段，鉆磨結(jié)構(gòu)就成為了非必需。

此外，由于可溶材料的強(qiáng)度較低，本體容易磨損，帶來卡瓦等直接受力的風(fēng)險(xiǎn)。特別是在一些高溫高礦化度井中，溶解速度過快。因此，有針對性做一些下接頭的防磨處理，常見c后者加裝可溶性膠環(huán)等。

圖10 下接頭鉆磨斜面

圖11 下接頭過流通道

下接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為便于井液流通和離子交換，還需要考慮過流通道結(jié)構(gòu)，防止上層的壓裂球堵塞返排通道。

3 結(jié)論

1) 可溶橋塞是近年來興起的一種分段壓裂工具。從現(xiàn)場應(yīng)用來看，國內(nèi)應(yīng)用可溶橋塞基本依賴進(jìn)口，成本高昂，且未達(dá)到完全可溶。開展國產(chǎn)可溶橋塞的研制，有利于降低國內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層改造成本，提高技術(shù)的適用性，滿足國內(nèi)頁巖氣井施工需要。

2) 針對可溶橋塞的溶解性和下入后多長時(shí)間內(nèi)可保障壓裂施工的矛盾問題，提出了 “工作時(shí)效”這一概念，指橋塞入井至壓裂的時(shí)間間隔。按照現(xiàn)有的頁巖氣施工模式，認(rèn)為可溶橋塞的工作時(shí)效為24 h，可以滿足頁巖氣井現(xiàn)場施工的需要，即，從可溶橋塞入井時(shí)開始計(jì)算，24 h內(nèi)都可以進(jìn)行壓裂施工。

3) 可溶卡瓦是可溶橋塞中的關(guān)鍵組件，在卡瓦表面復(fù)合一層硬質(zhì)顆粒，可提高卡瓦表面硬度。為達(dá)到卡瓦全可溶的要求，需要硬質(zhì)顆粒密度低、顆粒小，代表的有貝克休斯的鎳基合金涂層卡瓦和中石油勘探院的預(yù)制破片卡瓦。

4) 合理設(shè)計(jì)卡瓦破碎力是保障橋塞安全下入的關(guān)鍵因素，推薦值25 kN。

5) 可溶膠筒的技術(shù)關(guān)鍵在于膠筒的工作時(shí)效，需要測取膠筒試樣在浸泡前后的拉斷強(qiáng)度。膠筒密封組件設(shè)計(jì)需要考慮擠壓破壞。

6) 下接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮返排的過流通道及耐磨性能。