郭鳴 詹鴻運 馮強(qiáng) 李梅 韓永亮 段云剛

1.中國石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院；2.中國石油渤海鉆探第二固井公司

近年來國內(nèi)水平井?dāng)?shù)量快速增加，低滲透水平井比例越來越高，而水平井分段壓裂技術(shù)是大幅度提高低滲透水平井單井產(chǎn)量使其獲得高效開發(fā)的有效手段。橋塞可以實現(xiàn)套管完井水平井不限級數(shù)壓裂，可以有效封堵油氣層［1-3］。常規(guī)使用的復(fù)合橋塞［4］在完成坐封封堵后，需使用連續(xù)油管等進(jìn)行鉆塞，生產(chǎn)成本高，作業(yè)周期較長。在復(fù)合橋塞的基礎(chǔ)上研制出可溶橋塞及配套工具，可溶橋塞能夠有效實現(xiàn)坐封封隔，并且不需要進(jìn)行鉆除，壓后可在返排液中有效地溶解，實現(xiàn)井筒內(nèi)全通徑。另外，為了實現(xiàn)可溶橋塞在井筒內(nèi)可靠坐封錨定，并且承受井筒內(nèi)高壓，可溶橋塞采用高強(qiáng)度可降解材料。高強(qiáng)度可溶性復(fù)合材料是目前石油鉆采工程領(lǐng)域用特種工程材料［5-7］，該材料的溶解速度與其使用溫度、結(jié)構(gòu)特點有關(guān)。為使可溶橋塞在應(yīng)用時能夠?qū)崿F(xiàn)可溶的可控性，可以在其材料表面涂膜，在溶解時間上達(dá)到可控的目的。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

根據(jù)目前頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場施工需求，自主研制了可溶橋塞及貝克20#液壓坐封工具，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1可溶橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of dissolvable bridge plug

圖2液壓坐封工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of hydraulic setting tool

可溶橋塞與坐封工具通過坐封筒連接，其中心管通過剪釘連接在坐封筒上，將可溶橋塞下放井內(nèi)設(shè)計位置后，向坐封工具內(nèi)打壓，產(chǎn)生向下的推力推動坐封外筒，坐封外筒向下推動隔環(huán)，剪斷可溶橋塞的啟動銷釘一向下推動卡瓦、卡瓦座，擠壓膠筒，此時上下兩個卡瓦分別漲開錨定在套管壁上，膠筒被擠壓完成坐封，當(dāng)坐封力繼續(xù)上升剪斷可溶橋塞的剪釘時，完成可溶橋塞的丟手。上提坐封工具，完成射孔作業(yè)后，從井口投球至可溶橋塞處，可溶球與橋塞中心管形成密封，開始進(jìn)行壓裂施工。壓裂施工結(jié)束后，可溶橋塞在壓裂返排液中6~18 d 完全溶解，實現(xiàn)井筒全通徑。

1.2 技術(shù)參數(shù)

可溶橋塞工具總長500 mm，最大外徑104 mm，內(nèi)通徑40 mm，坐封丟手壓力132 kN，工作壓差70 MPa，耐溫120℃，適用于內(nèi)徑114.3 mm 的套管。坐封工具總長1 964 mm，最大外徑98.6 mm。

2 設(shè)計計算

2.1 卡瓦計算分析

對可溶橋塞關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件卡瓦進(jìn)行有限元分析計算，采用solidworks 2016 simulation 模塊，分析卡瓦的受力以及位移情況。

2.1.1 建立模型模型采用6 瓣卡瓦結(jié)構(gòu)型式，選取6 瓣卡瓦中對稱的2 瓣進(jìn)行分析，建模如圖3所示，其中，錐體包含一部分中心管，卡瓦包含卡瓦粒。

圖3卡瓦模型Fig.3 Slip model

2.1.2 材料屬性卡瓦和引鞋的材料均為MMG350.05，卡瓦粒采用硬質(zhì)合金粒，錐體材質(zhì)為合金鋼。這3種材料的屬性如表1所示。

2.1.3 連接(1)各部件間采用全局接觸(無穿透)連接方式；

表1卡瓦和引鞋材料取值Table 1 Material value of slip and guiding shoe

(2)錐體與卡瓦配合面采用錐體錐面與卡瓦錐面最上2點無穿透相觸面組的連接方式。

2.1.4 夾具選取硬質(zhì)合金粒嵌入套管內(nèi)部分設(shè)定為固定夾具，如圖4所示。

圖4合金粒與套管接觸模型Fig.4 Alloy particle-casing contact model

2.1.5 加載載荷及網(wǎng)格劃分錐體上的載荷以總載荷1 050 kN 設(shè)計，本次校核采用6瓣卡瓦中的2瓣，因此施加荷載為350 kN。如引鞋上不施加載荷，計算過程中計算軟件會認(rèn)為夾具不夠，因此引鞋上施加1 N荷載，與錐體上載荷方向相反。

施加載荷后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5卡瓦網(wǎng)格劃分Fig.5 Slip grid division

2.1.6 分析結(jié)果本次分析主要關(guān)注點為卡瓦受力及位移情況，其中y方向位移、y方向應(yīng)變、z方向應(yīng)變卡瓦值最大，因此選取這3種結(jié)果進(jìn)行分析對比。

將卡瓦瓣數(shù)、連接方式等作為定量，卡瓦與錐體接觸面角度作為變量，對比卡瓦與接觸面角度不同導(dǎo)致的結(jié)果差異，見表2。

表 2結(jié)果對比分析Table 2 Comparative analysis on the results

得出結(jié)論：錐面角度為15°的卡瓦與錐體配合方案優(yōu)于錐面角度為18°的卡瓦與錐體配合方案。

2.2 膠筒計算

可溶橋塞膠筒主要用于在橋塞坐封時的封隔，膠筒在承載變形時，要求應(yīng)力分布均勻，盡量避免和減少膠筒上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，井下膠筒如果缺乏足夠的穩(wěn)定性，就會在其表面產(chǎn)生許多縱向波紋和褶皺，從而造成膠筒損壞或功能喪失，而膠筒的穩(wěn)定性取決于膠筒的長度和膠筒與套管的間隙。

2.2.1 外徑膠筒的接觸應(yīng)力隨外徑的增大而增大，膠筒外徑增大可以有效提高耐壓差性能。在外徑不能增大的情況下，可以通過增加“防突”等手段增加膠筒外徑。膠筒與套管的合理間隙為2~6 mm，設(shè)計膠筒外徑與卡瓦外徑一致(式1)，避免下入過程中被刮壞。取Dj=112 mm，套管外徑為121 mm，膠筒與套管的間隙為(121?112)/2=4.5 mm。

式中，Dj為膠筒的外徑，mm；Dk為卡瓦的最大外徑，mm；Dp為橋塞的最大外徑，mm。

2.2.2 長度膠筒長度決定了橋塞坐封后與套管的接觸長度，對膠筒的密封性能起決定性作用。研究表明，如需增加橋塞有效密封接觸長度，可以采用多膠筒組合形式。在坐封過程中，中膠筒先坐封，然后上、下膠筒坐封，使上、下膠筒對中膠筒起到保護(hù)作用，見圖6。

膠筒的理論高度可以由式(2)計算得出

圖6三膠筒結(jié)構(gòu)Fig.6 Three-seal structure

式中，Δp為橋塞承受的壓差，設(shè)計要求Δp=35 MPa；rt為套管內(nèi)半徑，mm；Rj為套管外半徑，mm；[τ]為膠筒的許用剪切應(yīng)力，取10 MPa；f為膠筒與中心管、套管壁的摩擦因數(shù)，f取0.3；μ為膠筒的泊松比，取0.47；F0為橋塞膠筒的初封力，即膠筒剛好與套管壁接觸的軸向力，kN；A為中心管與套管壁間的環(huán)空面積，mm2；σz為自由變形階段膠筒的軸向應(yīng)力，MPa；E為膠筒的彈性模量，取9.14 MPa。

將式(4)代入式(3)中，得出膠筒的初封力F0=41 kN，再將此結(jié)果代入式(2)得出膠筒的高度H=132 mm，這是單膠筒的理論長度，數(shù)值不合理，因此，有必要設(shè)計成三膠筒的結(jié)構(gòu)形式，可以設(shè)計邊膠筒的高度為40 mm，邊膠筒與中膠筒以傾角為30°的錐面結(jié)合，總長度為140 mm。

2.2.3 材料力學(xué)性能

可溶橋塞膠筒采用全可溶橡膠材質(zhì)，其耐溫150℃，承壓70 MPa。

2.3 技術(shù)特點

(1)橋塞主體為可溶性鎂鋁合金材料，其溶解速度與所浸泡的鹽溶液濃度有關(guān)；(2)橋塞采用高強(qiáng)度可溶材料，大幅度提高了其耐壓能力；(3)自鎖型可溶卡瓦可在形成有效錨定的同時避免對套管的損傷；(4)采用可溶的彈性體作為密封膠筒，能形成有效穩(wěn)定的密封；(5)獨特的防堵設(shè)計防止在溶解期間橋塞內(nèi)流道被堵塞。

3 室內(nèi)試驗

3.1 坐封試驗

將可溶橋塞與貝克20#液壓坐封工具連接，橋塞置于?139.7 mm 套管工裝內(nèi)，向坐封工具內(nèi)打壓測試，測試過程中橋塞與坐封工具匹配良好，丟手工具的丟手環(huán)剪切螺紋完成丟手操作，實現(xiàn)橋塞在套管內(nèi)順利坐封丟手，丟手壓力17.3 MPa。與設(shè)計值相吻合。測試結(jié)果表明橋塞丟手方式設(shè)計合理，丟手值穩(wěn)定可靠。

3.2 承壓試驗

將坐封的可溶橋塞和套管工裝置于1%氯化鉀溶液中，每隔2 h 取出工裝加壓至60 MPa 進(jìn)行測試，16 h 后加壓至70 MPa，穩(wěn)壓20 min，未出現(xiàn)滲漏情況，滿足現(xiàn)場施工要求。為進(jìn)一步驗證最高承壓值，繼續(xù)加壓，在壓力78.6 MPa 時，出現(xiàn)壓降，卡瓦失效，達(dá)到可溶橋塞最高承壓值。

3.3 溶解試驗

在1%KCl溶液中，溫度90℃，對可溶橋塞進(jìn)行溶解試驗。312 h 后膠筒溶解成小塊，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，剩余膠筒0.5 kg，330 h 后膠筒完全溶解，共收集卡瓦牙0.335 kg，卡瓦牙最大體積9 mm×5 mm×5.5 mm，溶解試驗結(jié)束。

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗井蘇25-41-13H 是一口二開水平井，井深4 378 m，共計下入7支橋塞分8段進(jìn)行壓裂施工。設(shè)計壓裂施工排量8.0 m3/min，可溶橋塞直井段下入速度2 400 m/h，水平段泵送速度1 800~2 000 m/h，下入過程中根據(jù)排量和電纜張力控制其泵送速度。

該井各段施工壓力平穩(wěn)，工具下入、坐封、射孔過程順利，坐封丟手均一次完成，投球顯示明顯。整個壓裂施工過程中，可溶橋塞密封性能良好，壓后可溶橋塞及可溶球溶解順利，該井放噴排液均正常進(jìn)行，順利完成了水平井蘇25-41-13H 的壓裂施工。

5 結(jié)論

(1)研制的可溶橋塞錨定機(jī)構(gòu)采用雙向卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計，鎖緊和錨定可靠，丟手方式為丟手環(huán)剪切螺紋，丟手后在井內(nèi)不留余物。

(2)室內(nèi)試驗結(jié)果表明橋塞丟手方式設(shè)計合理，承壓密封性能穩(wěn)定，溶解性能良好。

(3)設(shè)計的可溶橋塞在試驗井的成功應(yīng)用，為頁巖氣開發(fā)順利開展提供了技術(shù)支撐。