張文遠 伊 明 朱年濤 喬東宇 李富強，2 周雙君 封 猛

(1.西部鉆探工程技術(shù)研究院 2.長江大學機械工程學院 3.西部鉆探鉆井液分公司 4.西部鉆探試油公司)

0 引 言

橋塞-射孔聯(lián)作壓裂技術(shù)為低壓、低滲油氣藏儲層體積改造的主流技術(shù)。其中可溶橋塞具備全井筒壓裂、自行溶解、無需鉆除，遇阻解卡便捷，作業(yè)風險及費用低等優(yōu)勢，故成為主流產(chǎn)品。作為油氣鉆井領(lǐng)域內(nèi)重要的完井工具，其性能直接影響整個油氣井后期完井的施工效率[1-5]。

已有諸多油服公司與科研機構(gòu)成功研發(fā)出了多種可溶橋塞工具。2015年斯倫貝謝公司[6]推出油氣行業(yè)可完全降解的橋塞射孔聯(lián)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)用完全可溶材料制成的壓裂球和球座代替橋塞進行地層分隔，無需后續(xù)鉆銑作業(yè)，起到了降本增效的作用。同年，Halliburton[7-8]發(fā)布了“Illusion”可溶性橋塞工具，該橋塞本體由可溶性金屬制成，最大施工泵壓達100 MPa[9]，目前已在全球累計入井5 000余只。Baker Hughes[10]也研發(fā)了性能類似的SPECTRE可溶橋塞，已在北美市場成功投放2 000余只。維泰油氣能源集團于2016年成功研制WIZARD可溶性橋塞，基體采用可溶性鎂鋁合金材料，坐封后可承受壓差68.9 MPa，整體可溶率大于98%[7]。中石油勘探開發(fā)研究院也研發(fā)了可溶性橋塞工具，其主體材料為輕質(zhì)高度強可溶合金，耐壓差70 MPa，遇水可溶，已在吐哈、大慶油田以及四川威遠頁巖氣井中成功使用[11]。

綜上所述，目前國內(nèi)外油服公司已將可溶橋塞進行了大量應用，技術(shù)成熟，效果顯著，可溶橋塞正在逐漸取代易鉆橋塞作為大規(guī)模體積壓裂的主流產(chǎn)品。但在低溫、低礦化度條件下的地層環(huán)境中，現(xiàn)有可溶橋塞的整體性能不穩(wěn)定，后期溶解效果不佳，無法滿足國內(nèi)部分油田項目的實際施工需求，進而制約了其推廣應用[12]。基于此，本文從可溶橋塞的材料選型、結(jié)構(gòu)設計及計算、施工工藝研究等方面入手，成功研發(fā)出一款適用于低溫、低礦化度條件下的可溶橋塞，并開展了現(xiàn)場試驗，旨在優(yōu)化可溶橋塞的整體性能，解決既往實際生產(chǎn)中面臨的難題，引領(lǐng)油田產(chǎn)業(yè)低成本、高效發(fā)展。

1 可溶橋塞結(jié)構(gòu)及工作原理

可溶橋塞的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為：當泵送可溶橋塞到預定層位后，電纜坐封工具傳遞推力到坐封套，推動滑套，擠壓膠筒，同時帶動錐體擠壓卡瓦。當達到卡瓦的破裂壓力時，卡瓦向外移動，咬合套管，錐體與卡瓦形成自鎖，膠筒鼓脹與套管內(nèi)壁貼合，完成橋塞的丟手坐封；當需要對橋塞上部產(chǎn)層壓裂時，將投球泵送到中心管上部的內(nèi)圓錐面上，密封后進行壓裂；壓裂完成后，橋塞在含有一定濃度電解質(zhì)溶液的地層返排液中自行溶解，溶解一定時間后，井筒恢復至全通徑狀態(tài)。

1—錐體；2—膠筒；3—端環(huán)；4—卡瓦牙；5—卡瓦；6—頭錐體。

2 可溶橋塞的材料選型

可溶橋塞本體金屬為其主體材料，必須在保證工具整體強度的同時兼顧其在低溫、低礦化度下的溶解性能。因此，在傳統(tǒng)可溶金屬材料的基礎上選擇新型復合材料，確保所有零件均能在溶液內(nèi)實現(xiàn)完全溶解。其中本體等金屬部分的制作材料以鎂鋁合金為主，膠筒材質(zhì)是可溶橡膠(PLA、PGA)。

2.1 材料強度評價

將選定的鋁鎂合金、PLA、PGA等材料與常規(guī)硬質(zhì)合金粒、合金鋼等材料進行參數(shù)對比及分析。相比之下，鋁鎂合金(AlMg350.05)的彈性模量最大，達到70 GPa；而硬質(zhì)合金粒的密度最大，約14 500 kg/m3；在屈服強度指標上，合金鋼>鋁鎂合金>硬質(zhì)合金粒。因此，選定的可溶橋塞材料在強度方面應能滿足現(xiàn)場70 MPa的壓力級別。

2.2 溶解性能試驗

為了驗證低溫、低礦化度溶液內(nèi)可溶橋塞膠筒及本體的溶解性，選定在室溫條件下進行溶解試驗分析[13]。

2.2.1 膠筒

取73.01 g低溫、低礦化度橋塞膠筒作為試驗樣品，將其安置在25 ℃清水內(nèi)，每間隔12 h對膠筒試樣稱重，直到膠筒試樣整體溶解。統(tǒng)計試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在25 ℃條件下，73.01 g試樣的溶解時間達到169 h。溶解效果如圖2所示。

圖2 可溶橋塞膠筒材料溶解試驗Fig.2 Dissolution test on rubber barrel of soluble bridge plug

2.2.2 本體

取3份試樣，各份質(zhì)量38.65 g，分別將其安放到清水、質(zhì)量分數(shù)0.5%KCl溶液(Cl-質(zhì)量濃度2 385 mg/L)、質(zhì)量分數(shù)1%KCl溶液(Cl-質(zhì)量濃度4 770 mg/L)內(nèi)，每間隔12 h取出試樣稱質(zhì)量，直到試樣溶解率達到100%。統(tǒng)計試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25 ℃條件下，試樣完全溶解結(jié)果見表1。

表1 不同溶液內(nèi)本體試樣的溶解試驗Table 1 Dissolution test of bulk samples in different solutions

綜合以上試驗研究，可知：①研發(fā)的可溶橋塞材料于清水內(nèi)即可溶解，但溶解速率相對較緩慢；②室溫條件下，伴隨Cl-質(zhì)量濃度的持續(xù)增加，試樣的溶解速率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢[14]，如表1所示；③可溶橋塞的整體溶解效果與溫度、礦化度有關(guān)，且溫度、礦化度越低，溶解越慢。

3 可溶橋塞的優(yōu)化設計及仿真分析

3.1 卡瓦、膠筒主要參數(shù)設計

3.1.1 卡瓦

卡瓦是可溶橋塞在錨定過程中傳遞載荷、承擔載荷的主要構(gòu)件[15-16]，起到支撐橋塞、鎖定膠筒的作用?？扇軜蛉ㄍ咭话悴捎梅制浇Y(jié)構(gòu)，坐卡后，按照間隔將作用力分散施加到套管壁上。

(1)卡瓦硬度。選取的卡瓦陶瓷顆粒硬度≥1 200 HV，遠遠高于一般套管硬度，因此完全可吃入套管內(nèi)壁。

(2)卡瓦外徑?？ㄍ咄鈴綉孕∮跇蛉倔w外徑。一般認為卡瓦較本體外徑小1～3 mm較為安全。因此，該卡瓦外徑取區(qū)間最大值，為102 mm。

(3)卡瓦錐角及長度?？ㄍ咤F角是指卡瓦斜面與卡瓦座斜面的配合角度?？ㄍ唛L度是指保證卡瓦工作行程下的最小長度。一般認為，要想保證零件的完整性及安裝穩(wěn)定性，則需保證卡瓦有一定的銜接長度與配合角度，因此，確定卡瓦的錐角與長度分別為30°、120 mm。

3.1.2 膠筒

在可溶橋塞施工中，膠筒主要在橋塞坐封環(huán)節(jié)起到封閉、隔離作用，當其處于變形狀態(tài)時，要求應力均勻分布，此時需減少或規(guī)避出現(xiàn)膠筒上應力高度集中的情況。此外，當在井下環(huán)境中，膠筒穩(wěn)定性明顯不夠時，則其表層就會出現(xiàn)很多縱向波紋或褶皺，這是膠筒局部破損及功能喪失的主因。膠筒本體的外徑、長度及和套管間形成的間隙大小則是影響膠筒穩(wěn)定時間長短的主要因素。

(1)外徑。伴隨外徑的增加，膠筒的接觸應力將呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，有益于增強其耐壓差性能。在外徑無法增加的工況下，可以采用增設“防突”等辦法去增加膠筒的外徑值。建議將膠筒和套管兩者的間隙控制在2～6 mm范圍，設計膠筒和卡瓦外徑相等[17]，以防入井過程中被刮損。選擇膠筒外徑Dj為112 mm，套管外徑121 mm，則膠筒和套管的間隙為4.5 mm。膠筒外徑、卡瓦及橋塞最大外徑之間的關(guān)系式為：

Dj=Dk=0.98Dp

(1)

式中：Dk、Dp分別是卡瓦、橋塞的最大外徑，mm。

(2)長度。膠筒長度是影響其密封性能的一項主要因素。既往研究證實，可以應用多個膠筒組合的方式去增加膠筒的有效密封接觸長度。在坐封環(huán)節(jié)中，先坐封的對象是中膠筒，隨后是上、下膠筒坐封，借助這樣的操作方式使上、下膠筒坐封，對中膠筒起到良好的保護作用。膠筒的理論長度計算式為[18]：

(2)

式中：Δp是橋塞材料承受的壓差，取值為35 MPa；rt、Rj分別是套管的內(nèi)、外半徑，mm；[τ]是套管許用剪切應力，取值為10 MPa；f是摩擦因數(shù)，取值為0.3；μ是膠筒構(gòu)件的泊松比，取值0.47；F0為膠筒的初封力，N；A是中心管和套管壁之間的環(huán)空面積，mm2。

3.2 仿真分析

在實際應用過程中，橋塞通過卡瓦進行錨定，而橋塞坐封后將膠筒壓貼在套管壁上。壓裂過程中膠筒依靠和套管壁產(chǎn)生的接觸壓力克服橋塞上下壓差，從而隔絕壓裂層，因此膠筒的密封性能對壓裂作業(yè)有著至關(guān)重要的影響。這里重點對膠筒密封性能進行有限元分析。膠筒與套管、套筒的接觸是高度非線性行為，鑒于膠筒機構(gòu)邊界條件的復雜性，將其作為整體進行有限元分析。膠筒結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。模型參數(shù)如表2所示。

圖3 膠筒結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model of rubber barrel

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

由于鋼材的彈性模量遠遠大于橡膠材料的彈性模量，故假設其為剛性，并作為膠筒變形的約束邊界，將載荷施加在上壓座的上端面。這里采用罰單元法求解膠筒和套管、套筒之間的接觸問題，即將計算對象劃分網(wǎng)格后，在兩接觸面的各節(jié)點之間建立一種偽單元來模擬面和面的接觸。對模型劃分網(wǎng)格時，橡膠采用超彈性單元HYPER56，芯軸、套管等采用線性實體單元PLANE42，模型還包含建立接觸對時自動生成的接觸單元TARGE169和CONTAI172。密封系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 膠筒網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of rubber barrel

首先將下壓座固定，在上壓座上端面施加42 176 N的壓力，得到橋塞膠筒的接觸壓力及位移變化如圖5所示。

圖5 初封后膠筒接觸壓力及位移變化Fig.5 Contact pressure and displacement variation of rubber barrel after initial sealing

初封過程施加42 176 N的壓力，膠筒壓縮后橋塞自鎖，認為初封力一直存在。壓裂時為了能夠承受84 MPa的壓差，需要施加135 134 N的壓力以保證膠筒和套管間的接觸壓力，因此分析工作過程中膠筒的密封性能時需要將下卡瓦座固定，從上卡瓦座上端面施加135 134 N的壓力。得到膠筒的接觸壓力及位移變化如圖6所示。

從圖6可知，膠筒和套管間最大接觸壓力出現(xiàn)在中膠筒軸向3.6 mm處，壓力值為79.54 MPa；最小接觸壓力出現(xiàn)在下膠筒軸向26.7 mm處，壓力值為45.38 MPa。

工作時上膠筒長度為42.51 mm，壓縮量為36.8%；中膠筒長度為36.14 mm，壓縮量為36.9%；下膠筒長度為43.00 mm，壓縮量為36.1%。初封后施加工作載荷，膠筒又被壓縮了0.40 mm，占總長度的0.6%，膠筒和套管間的接觸壓力值大于壓差84 MPa，這說明密封壓力可以到達70 MPa以上。

綜上所述，可將可溶橋塞邊膠筒的高度設計成40 mm，邊膠筒與中膠筒兩者基于傾角45°的錐面實現(xiàn)結(jié)合。由此，確定了可溶橋塞最終的整體參數(shù)：外徑108 mm，長500 mm，適用于?139.7 mm(5in)套管，最高可耐受環(huán)境溫度150 ℃，承壓70 MPa。經(jīng)過室內(nèi)測試，設計的可溶橋塞在?139.7 mm套管中坐掛可靠、密封穩(wěn)定，置于低溫、低礦化度的電解質(zhì)溶液內(nèi)，7～15 d左右能實現(xiàn)全溶解，展現(xiàn)出良好的適應性。

4 現(xiàn)場應用

4.1 井位基本情況

設計研發(fā)的新型可溶橋塞于2023年5月16日在新疆瑪湖某MaHHW130X井進行了現(xiàn)場應用。該井設計井深4 830 m，射孔及壓裂共計5段，返排液Cl-質(zhì)量濃度范圍2 702～4 054 mg/L，管柱為內(nèi)徑?104.8 mm的TP-125V鋼級套管。結(jié)合現(xiàn)場實際需求，在最后一層段進行可溶橋塞現(xiàn)場試驗。措施層段為3 368.0～4 789.0 m，措施目的層地層壓力為37.6 MPa、溫度為65.28～75.04 ℃。

4.2 現(xiàn)場施工情況

現(xiàn)場施工時，按照下入速度不得超過60 m/min的要求，將連接好的可溶橋塞入井，管串被泵送至預定深度后，依次完成橋塞坐封、丟手、上提點火等作業(yè)，將射孔槍起出井口?？扇軜蛉淇?聯(lián)作施工工藝如下(見圖7)：①井筒準備，對全井筒進行通井，對橋塞坐封位置上下進行刮管；②第一段射孔壓裂；③橋塞連接，按照設計的橋塞射孔-聯(lián)作的管串結(jié)構(gòu)展開工具串的連接，將工具串安裝在防噴管內(nèi)，再將防噴管安裝在壓裂井口；④將橋塞射孔管串通過泵送的方式下入設計位置；⑤橋塞坐封及丟手，地面電纜車點火，坐封工具通過點火頭點火啟動，坐封及丟手；⑥射孔，上提射孔槍至設計井深，點火射孔；⑦投球，對投球型橋塞而言，將球泵送至橋塞位置；⑧壓裂施工；⑨重復步驟③～⑧，完成后續(xù)層位的壓裂。

圖7 可溶橋塞射孔-聯(lián)作壓裂工藝技術(shù)Fig.7 Soluble bridge plug and perforation combined fracturing technology

橋塞下入處深度3 355.5 m，擠鹽酸量5 m3，替酸量29 m3，最高壓裂排量12 m3。井口最大壓力68 MPa，總加砂量61.02 m3，總注液量1 044.6 m3，最高停泵壓力25 MPa。壓裂約100 min順利完成。壓裂完成后，關(guān)井燜井12 d，再進行通井探塞，橋塞坐封位置無阻卡，返排也未見大顆粒。據(jù)此可以證實可溶橋塞實現(xiàn)完全溶解，且溶解物為細小顆粒，并隨返排液排出。

整個施工過程中，研制的新型可溶橋塞泵送、入井、坐封、丟手、擠酸及壓裂均正常。地層開啟明顯，后期探塞無阻卡，現(xiàn)場施工順利，驗證了該工具的可靠性，相關(guān)性能指標滿足設計要求。

5 結(jié) 論

(1)研發(fā)的可溶橋塞能夠適用于低溫、低礦化度條件下的地層環(huán)境，最高耐溫150 ℃，承壓70 MPa，在20～70 ℃、Cl-質(zhì)量濃度1 000～3 000 mg/L條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)整體溶解，拓展了可溶橋塞的適用范圍。

(2)該可溶橋塞在油田現(xiàn)場壓裂中，節(jié)省了后期鉆塞過程，規(guī)避了復合型橋塞鉆塞慢、卡鉆、套管局部損傷等風險，提升了現(xiàn)場生產(chǎn)效率。

(3)可溶橋塞工具最大的特點是實現(xiàn)了全可溶，進而明顯減少了現(xiàn)場施工作業(yè)成本，故而在選擇使用這種產(chǎn)品時，應全面掌握相應區(qū)塊油藏目的層的溫度、礦化度等實際條件，選擇適合的可溶橋塞工具，以使施工效果最大化。