程宇雄 武廣璦 吳世運 王黎 姜滸 顧鵬

(1. 中海石油(中國) 有限公司北京研究中心 2. 杰瑞能源服務有限公司)

0 引 言

我國油氣資源消耗量大、 對外依存度高, 加快油氣開發(fā)對于保障能源安全具有重要意義[1]。 隨著油氣勘探開發(fā)向低滲透[2]、 深層[3]、 海域[4]及非常規(guī)[5]領域邁進, 井筒結構越來越復雜, 井下工具面臨越來越多的新挑戰(zhàn)[6]。 渤海灣盆地是我國東部重要含油氣盆地[7-8], 最大氣田為千米橋凝析氣田, 探明天然氣地質儲量305×108m3、 凝析油896×104t[9]。 2018 年, 中國海洋石油集團有限公司發(fā)現了探明儲量超千億立方米的整裝凝析氣田——渤中19-6 凝析氣田[10], 這對于推動渤海灣盆地深層-超深層油氣勘探開發(fā)意義重大。 渤中19-6氣田儲量豐富, 具有埋藏深(超過4 000 m)、 超高溫(達到170 ～205 ℃)、 超高壓(壓力系數達1.3)、 巖性和儲滲空間復雜、 非均質性強及流體性質特殊等特點, 導致開發(fā)難度大、 酸化解堵效果不理想。

為了盡快有效動用渤中19-6 油田群儲量, 迫切需要形成高效的壓裂增產技術體系。 以可溶橋塞為核心工具的分段壓裂技術有望成為增大海上儲層壓裂規(guī)模、 提高海上儲層增產效果的主體技術手段。 可溶橋塞在壓后一定時間內, 橋塞本體和膠筒等全部自行溶解, 實現大排量、 大規(guī)模、 無限級壓裂, 壓后免鉆即可全通徑生產, 具有適用性廣、 綜合成本低、 投產時間短、 作業(yè)風險低以及可實現二次改造的特點[11]。 國內外學者與科研單位對可溶橋塞開展了大量的研究工作。 2015 年, Schlumberger 公司發(fā)布了INFINTTY 可溶球座, 可溶解本體占整體球座體積的99.7%, 且沒有膠筒部件,實現了無膠筒密封, 最高設計耐溫176.7 ℃。 2016年, 維泰油氣公司發(fā)布的WIZARD 可溶橋塞和CHAMELEON 可溶橋塞主體使用鎂基可溶合金材料, 膠筒為可溶解的橡膠材料, 設計耐溫最高達150 ℃。 2018 年, Innovex Downhole Solution 公司發(fā)布的SWAGE 可溶橋塞采用磨砂外表的金屬膨脹部件代替常規(guī)可溶橋塞的卡瓦和密封元件, 同時實現金屬密封和錨定, 最高設計溫度達178 ℃。 國內可溶橋塞工具結構與國外初期的產品類似, 采用與常規(guī)速鉆橋塞相似的雙卡瓦或單卡瓦結構形式[12-15]。常規(guī)可溶橋塞的密封膠筒為橡膠材料, 橡膠溫度適應性弱, 承壓強度低, 存在不可降解或降解產物不易返排易堵塞井筒等問題, 故采用金屬密封環(huán)來代替橡膠密封的可溶全金屬橋塞已成為目前重要的研究方向[16]。 但是可溶橋塞存在承壓強度低、 降解速度慢、 無法適用于超高溫環(huán)境的問題, 亟需開發(fā)適用于渤中19-6 油田超高溫環(huán)境的新型全金屬橋塞。

筆者針對205 ℃超高溫環(huán)境, 創(chuàng)新性提出全金屬橋塞設計方案, 開展可溶鎂基合金力學性能試驗及高溫溶解性能試驗, 結合有限元分析結果完成橋塞關鍵部件材料優(yōu)選, 試制耐超高溫全金屬橋塞實物樣機并開展室內試驗測試, 驗證全金屬橋塞實際應用效果。 研究結果可為開發(fā)適用于超高溫環(huán)境的全金屬橋塞、 推動渤海盆地灣凝析氣田開發(fā)提供技術支撐。

1 耐超高溫全金屬橋塞方案設計

1.1 結構

耐超高溫全金屬橋塞結構如圖1 所示。

圖1 耐超高溫全金屬橋塞結構方案Fig.1 Schematic structure of the all-metal bridge plug for ultra-high temperature environment

該橋塞由錐體、 密封環(huán)、 卡瓦和引鞋組成。 該橋塞具有結構簡單和設計緊湊的優(yōu)點。 同時為解決常規(guī)可溶式橋塞中膠筒溶解速率慢、 易堵塞井筒等問題, 利用高伸長率鋁鎂合金膨脹環(huán)代替膠筒實現密封, 在相同壓差下橋塞耐溫等級顯著提高, 可有效降低作業(yè)成本。

1.2 工作原理

高溫全金屬橋塞通過適配器與電纜、 液壓或機械坐封工具連接后, 送至設計坐封位置, 啟動坐封工具, 通過坐封活塞運動產生坐封力, 推動錐體使密封環(huán)膨脹并擠壓卡瓦。 當推力達到卡瓦設定的破裂壓力后, 卡瓦首先破裂并沿徑向移動, 錐體繼續(xù)下行使密封環(huán)膨脹至套管內壁; 隨著坐封力的加大, 密封環(huán)繼續(xù)被擠壓變形, 直至卡瓦完全錨定在套管內壁。 當坐封力達到橋塞預設丟手載荷后, 剪切橋塞與適配之間的丟手螺紋、 丟手螺釘或丟手環(huán)等, 使橋塞與適配器和坐封工具分離。 當需要對橋塞上部產層進行壓裂增產改造時, 可從井口投入壓裂球并泵送至錐體右端的內部圓錐孔內, 實現井筒內上下壓力封隔。 隨著改造壓力的升高, 錐體擠壓密封環(huán)和卡瓦的壓力也繼續(xù)升高, 密封環(huán)、 卡瓦與套管內壁的接觸應力增加, 可有效增強密封環(huán)的密封效果和卡瓦的錨定能力。 產層改造作業(yè)完成后,使用質量分數2%的KCl 水溶液進行溶解。

1.3 主要技術參數

根據現場工況, 確定耐超高溫全金屬橋塞技術參數如下: 橋塞外徑為89 mm, 長度為220 mm,適用于?139.7 mm 套管; 在205 ℃高溫環(huán)境下最高可承受70 MPa 壓差, 有效密封時間大于12 h;降解時間為7 ～14 d, 溶解率達到98%; 最高可適用于Q125 鋼級套管, 在套管內具有較強的通過性; 可使用不同廠家的電纜、 液壓或機械工具完成坐封工作。

2 可溶鎂基合金材料優(yōu)選

根據耐超高溫全金屬橋塞耐溫205 ℃、 耐壓差70 MPa、 工作介質為質量分數2%的KCl 水溶液的設計要求, 開展鎂基合金材料的高溫力學性能和溶解性能試驗, 優(yōu)選關鍵零部件(錐體和密封環(huán))的材料, 為耐超高溫全金屬橋塞的材料設計提供設計依據。

2.1 材料成分分析

耐超高溫全金屬橋塞主體零件錐體材料為高強度鎂基合金, 主要由質量分數80%的鎂(Mg)、10%的釓(Gd) 和5%的釔(Y) 構成; 密封環(huán)材料為高伸長率鎂基合金, 主要由質量分數90%的鎂(Mg)、 5%的釓(Gd) 和0.2%的釔(Y) 構成。 在催化劑氯離子(Cl-) 的作用下鎂與水發(fā)生化學反應, 生成粉末狀氫氧化鎂(Mg (OH)2) 和氫氣(H2)。

2.2 力學性能測試

針對錐體材料和密封環(huán)材料, 分別開展3 種高強度可溶鎂基合金材料 (SAMS01、 SAMS03 和SAMS04), 以及2 種高伸長率可溶鎂基合金材料(SAMS02、 SAMS05) 在室溫和205 ℃高溫環(huán)境下材料拉伸性能試驗, 從而優(yōu)選關鍵零部件(錐體和密封環(huán)) 的材料。 首先, 根據GB T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》, 將材料加工為直徑10 mm、 標距50 mm 的啞鈴形試樣; 其次, 將試樣置于高溫導熱油中加熱; 最后, 通過高溫拉伸試驗機開展5 種可溶鎂基合金材料在室溫和205 ℃高溫環(huán)境下拉伸性能試驗, 獲得材料在不同溫度下的抗拉強度、 屈服強度以及斷裂伸長率。

室溫與高溫環(huán)境下可溶鎂基合金力學性能對比如圖2 所示。

圖2 室溫與高溫環(huán)境下可溶鎂基合金力學性能對比圖Fig.2 Mechanical performance of soluble magnesium-based alloys at room and high temperatures

由圖2 可知: 對于高強度可溶鎂基合金材料,室溫條件下3 種材料對比結果表明, SAMS04 材料的抗拉強度和屈服強度最高, 分別為467 和367 MPa, 說明SAMS04 材料抵抗塑性變形和斷裂的能力較強; SAMS03 材料抗拉強度和屈服強度最低,分別為SAMS04 材料強度的92.3%和98.6%; 當環(huán)境溫度升高至205 ℃時, 3 種材料的抗拉強度和屈服強度同步下降, 其中SAMS01 材料強度受溫度影響較為明顯, 抗拉強度由434 MPa 降低至375 MPa, 屈服強度由334 MPa 降低至288 MPa, 降幅均為14%; 而SAMS04 材料在高溫環(huán)境下強度下降幅度較小, 約為7%。 常溫環(huán)境下SAMS04 材料伸長率最高, 為7.2%, 表明SAMS04 材料韌性較好;隨著環(huán)境溫度升高, 材料逐漸變軟變韌, SAMS01材料和SAMS04 材料的伸長率同步提高了93%, 而SAMS03 材料伸長率增大尤為明顯, 由3.1%增大至14.9%。 對于高伸長率鎂基合金材料, SAMS02材料與SAMS05 材料在室溫與205 ℃高溫環(huán)境下的抗拉強度及屈服強度明顯低于高強度鎂基合金材料。 其中SAMS02 材料在室溫與205 ℃高溫環(huán)境下的伸長率分別達到30.7%和47.9%, SAMS05 材料在室溫與205 ℃高溫環(huán)境下的伸長率分別達到31.3%和47.3%。

2.3 強度校核分析

采用Siemens PLM Software Inc 公司的NX NASTRAN 求解器, 選擇線性靜態(tài)-全局約束求解算法,建立全金屬橋塞關鍵部件(錐體和密封環(huán)) 的有限元分析模型。 根據錐體和密封環(huán)實際受力工況,施加如圖3 所示的邊界條件, 開展205 ℃高溫環(huán)境、 70 MPa 極限壓力下全金屬橋塞關鍵部件(錐體和密封環(huán)) 的強度分析。

圖3 全金屬橋塞受力示意圖Fig.3 Force diagram of the all-metal bridge plug

錐體有限元分析結果(Mises 應力云圖) 如圖4 所示。 當環(huán)境溫度為205 ℃、 極限壓力為70 MPa時, 錐體最大應力為199.79 MPa, 故SAMS01、SAMS03 和SAMS04 這3 種高強度可溶鎂基合金材料屈服強度均滿足使用要求。

圖4 錐體有限元分析結果Fig.4 Finite element analysis results of the cone

通過使用與錐體相同的求解器和解算方案對密封環(huán)進行應力分析, 得到密封環(huán)有限元分析結果(Mises 應力云圖) 如圖5 所示。 由圖5 可知, 在環(huán)境溫度為205 ℃、 極限壓力為70 MPa 條件下,密封環(huán)最大應力為71.7 MPa。 故SAMS02 和SAMS05 這2 種高伸長率可溶鎂基合金材料的屈服強度均滿足使用要求。

圖5 密封環(huán)有限元分析結果Fig.5 Finite element analysis results of the sealing ring

2.4 溶解性能分析

在力學性能測試和強度校核的基礎上, 分別開展3 種高強度可溶鎂基合金材料 (SAMS01、SAMS03 和SAMS04) 以及2 種高伸長率可溶鎂基合金材料(SAMS02 和SAMS05) 在205 ℃高溫環(huán)境下材料溶解性能試驗。 其中: SAMS01、 SAMS03和SAMS04 材料試樣的直徑為89 mm, 內徑為44 mm, 長度為170 mm; SAMS02 和SAMS05 試樣的直徑為89 mm, 內徑為64 mm, 長度為18 mm。 同時, 搭建地面高溫試驗裝置, 以模擬環(huán)境溫度為205 ℃、 溶解介質為質量分數2%的KCl 水溶液的井下高溫環(huán)境, 開展高溫環(huán)境下可溶鎂基合金材料溶解性能試驗。 最后, 將試樣放入模擬裝置后注入試驗介質, 使模擬裝置壓力不低于30 MPa, 每間隔24 h 進行1 次稱量并重新注入試驗介質, 得到可溶鎂基合金材料高溫溶解率試驗數據, 如表1 所示。 表1 中t表示溶解時間。 由表1 可知: 在超高溫環(huán)境中, 可溶解鎂基合金溶解速率呈現慢-快-慢現象, 在開始溶解后的第48～72 h 溶解最快。 對于高強度可溶鎂基合金材料, SAMS04 材料完全溶解時間為96 h, SAMS03 材料完全溶解時間為120 h,SAMS01 材料完全溶解時間192 h, 因此高強度可溶鎂基合金材料中SAMS04 溶解速率最快。 對于高伸長率可溶鎂基合金材料, SAMS02 材料完全溶解時間144 h, SAMS05 材料完全溶解時間192 h, 因此高伸長率可溶鎂基合金材料中SAMS02 溶解速率最快。

表1 可溶鎂基合金材料高溫溶解率Table 1 Dissolution rates of soluble magnesium-based alloys at high temperature

2.5 合金材料優(yōu)選

上述研究結果表明, 當環(huán)境溫度為205 ℃、 井下壓力為 70 MPa 時, SAMS01、 SAMS03 和SAMS04 這3 種高強度可溶鎂基合金材料的屈服強度均滿足使用要求。 結合現場實際作業(yè)工況, 橋塞入井后需在12～48 h 保持有效密封并在120 h 內完全溶解。 為保證48 h 橋塞密封的可靠性, 同時滿足120 h 內橋塞高效溶解, 可選擇SAMS03 作為耐超高溫全金屬橋塞中錐體的材料。 除此, 在環(huán)境溫度為205 ℃、 井下壓力為70 MPa 時, SAMS02 和SAMS05 這2 種材料屈服強度均符合要求。 SAMS02材料完全溶解時間為144 h, 溶解效率高于SAMS05 材料的溶解效率, 故選擇SAMS02 作為耐超高溫全金屬橋塞中密封環(huán)的材料。

3 耐超高溫全金屬橋塞試驗測試

3.1 試驗測試設備

全金屬橋塞試驗系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 全金屬橋塞試驗系統(tǒng)Fig.6 All-metal bridge plug test system

以美國貝克休斯公司10#液壓坐封工具為基礎, 進行配套連接工具的設計, 使用鉛黃銅材質的M12 螺釘控制坐封或丟手載荷的大小。

模擬套管在(內徑為(100.70±0.76) mm、 長度為1 000 mm、 鋼級Q125) 205 ℃、 承壓105 MPa條件下不產生永久變形, 通過金屬氣密封螺紋進行密封。 另外, 利用自主研制的全金屬橋塞試驗系統(tǒng)開展室內試驗。 該試驗系統(tǒng)包含電液控制系統(tǒng)、 加穩(wěn)壓系統(tǒng)、 油浸加熱系統(tǒng)和溫度壓力采集系統(tǒng)等,系統(tǒng)最高試驗壓力105 MPa, 最高試驗溫度230 ℃。

3.2 室溫承壓試驗

為驗證耐超高溫全金屬橋塞的坐封程序、 卡瓦錨定能力、 密封環(huán)密封能力及錐體承壓能力, 開展了室溫環(huán)境下全金屬橋塞功能試驗。 全金屬橋塞坐封壓力曲線如圖7 所示。

圖7 全金屬橋塞坐封壓力曲線Fig.7 All-metal bridge plug setting pressure curve

試驗結果表明, 在液壓坐封工具升壓至23.5 MPa (即壓力141 kN) 時, 橋塞順利完成坐封。橋塞上端升壓至5 MPa, 保持1 min, 壓降0.1 MPa, 無泄漏、 無滑脫; 繼續(xù)升壓至15 MPa, 保持1 min, 壓降0, 無泄漏、 無滑脫; 繼續(xù)升壓至35 MPa, 保持1 min, 壓降0.2 MPa, 無泄漏、 無滑脫; 繼續(xù)升壓至50 MPa, 保持1 min, 壓降0.2 MPa, 無泄漏、 無滑脫; 繼續(xù)升壓至70 MPa, 保持30 min, 最后15 min, 壓降0.3 MPa, 無泄漏、無滑脫。 室溫環(huán)境全金屬橋塞承壓試驗曲線如圖8所示。 試驗結果表明, 室溫環(huán)境下耐超高溫全金屬橋塞承壓達到70 MPa, 承壓時間超過30 min, 卡瓦能有效錨定套管, 密封環(huán)可有效密封, 錐體可有效承壓, 達到預期設計要求。

圖8 室溫環(huán)境全金屬橋塞承壓試驗曲線Fig.8 Pressure test of the all-metal bridge plug at room temperature

3.3 超高溫承壓試驗

為驗證耐超高溫全金屬橋塞在高溫環(huán)境下的坐封程序和承壓能力的可靠性, 模擬205 ℃高溫環(huán)境、 質量分數2%的KCl 水溶液中全金屬橋塞的承壓性能。 全金屬橋塞試驗過程如圖9 所示。

首選, 選擇生產、 檢驗和裝配合格的橋塞; 其次, 油浸池升溫至205 ℃, 待油浸池溫度穩(wěn)定后,將橋塞和模擬套管一并放入油浸池中浸泡30 min;然后, 使用與室溫功能試驗相同的坐封工具和坐封程序將橋塞快速坐封于模擬套管內; 最后, 通過可溶橋塞試驗系統(tǒng), 開展耐超高溫全金屬橋塞高溫承壓試驗。

高溫環(huán)境全金屬橋塞承壓試驗曲線如圖10 所示。 橋塞在液壓坐封工具升壓至21 MPa (即壓力126 kN) 時, 橋塞順利丟手并完成坐封; 油浸池恒溫205 ℃, 橋塞上端升壓至30 MPa, 保持至壓力穩(wěn)定, 無泄漏、 無滑脫; 待壓力穩(wěn)定后繼續(xù)升壓至70 MPa, 保持10 h, 壓降1.5 MPa, 無泄漏、 無滑脫。 試驗結果表明, 耐超高溫全金屬橋塞在205℃的超高溫環(huán)境下能順利坐封, 承壓達到70 MPa,并在10 h 內保持有效密封。

3.4 溶解試驗測試

將完成高溫承壓試驗的橋塞上端和下端連通,注入質量分數2%的KCl 水溶液后, 放入恒溫(205 ℃) 油浸池中。 當試驗溫度為210 ℃時, 飽和水的飽和壓力為1.91 MPa。 溶解試驗用模擬套管全程保持密閉且維持壓力不低于30 MPa, 確保溶解介質不產生汽化。 每間隔24 h, 取出未溶解部分進行稱質量并更換溶解介質, 得到全金屬橋塞高溫溶解率, 如表2 所示。 上述試驗結果說明, 耐超高溫全金屬橋塞在205 ℃條件下, 使用質量分數2%的KCl 溶液, 可在8 d 完全溶解, 溶解率達98%。

表2 全金屬橋塞高溫溶解率Table 2 Dissolution rates of the all-metal bridge plug at high temperature

4 結 論

針對目前可溶橋塞承壓強度低、 降解速率慢、無法適用于超高溫環(huán)境的問題, 創(chuàng)新性提出了適用于超高溫環(huán)境的全金屬橋塞設計方案, 完成了橋塞關鍵部件材料優(yōu)選, 試制耐超高溫全金屬橋塞實物樣機并且開展了室內試驗測試, 主要得到如下結論:

(1) 隨著溫度升高, 相對于高伸長率可溶鎂基合金, 高強度可溶鎂基合金抗拉強度和屈服強度下降幅度較小, 伸長率變化幅度較大。 高強度可溶鎂基合金材料中SAMS04 溶解速率最快, 高伸長率可溶鎂基合金材料中SAMS02 溶解速率最快。

(2) 在超高溫環(huán)境中, 可溶解鎂基合金溶解速率呈現慢-快-慢現象, 在開始溶解后的48～72 h內溶解速率最快。

(3) 研制的耐超高溫全金屬橋塞在205 ℃、質量分數2%的KCl 水溶液中最高可承受壓差70 MPa, 并保持10 h 有效密封, 在模擬工況下的密閉容器中8 d 可完全溶解, 滿足設計要求并具備入井條件。

(4) 由于溶解試驗模擬套管為密閉容器, 橋塞溶解后產生的氣體無法排出并集聚于試樣周圍,與實際溶解環(huán)境有所差異, 還需要開展超高溫可溶解橋塞模擬工況下溶解性能評定系統(tǒng)研究, 進一步提高可溶解橋塞在模擬工況下溶解性能的準確性。