免钻型大通径桥塞研制与应用现状

李鹏飞，刘旭辉，王 杰

(长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023)



免钻型大通径桥塞研制与应用现状

李鹏飞，刘旭辉，王 杰

(长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023)

桥塞-射孔联作分段压裂是目前国内外进行页岩气开发所使用的主要技术。在该工艺的施工后期，为了保障油气畅通，需要利用连续油管磨铣工具钻除桥塞，存在耗时较长、成本较高、容易卡钻等问题。研制出免钻型大通径桥塞代替复合桥塞，可以解决这些问题。调研了国内外大通径桥塞的研制与应用现状，介绍了结构、工作原理、技术特点、规格性能参数及现场应用情况。分析了存在的主要问题及发展趋势。给出了大通径桥塞研制的建议。

桥塞；研制；应用

桥塞-射孔联作分段压裂是水平井分段压裂技术中的一种。该技术是目前国内外进行页岩气藏等非常规油气增产开采所使用的主要手段，具有压裂级数不受限制、压裂层位定位精确、工具管柱简单、无需起下钻(劳动强度较低)、施工效率较高、压裂后形成的缝网更加复杂、有效改造体积更大等优点，在国内外页岩气藏等非常规油气储层改造中得到广泛应用[1-3]。但是，此工艺施工后期，为了保障油气畅通，需要利用连续油管磨铣工具钻除桥塞[4]，存在钻磨过程耗时较长、钻磨作业成本较高、长水平段钻磨困难、易发生卡钻风险等问题[5]。复杂的桥塞钻磨工序以及它所带来的各种问题限制了桥塞-射孔联作分段压裂技术在页岩气藏等非常规油气储层改造中的应用，如何避免复杂的桥塞钻磨工序，成为本领域科研技术人员需要解决的关键问题。

研制出内通径较大的免钻型大通径桥塞来代替复合桥塞，从而避免复杂的桥塞钻磨工序，是目前国内外本领域科研技术人员急需做的。

1 国外研制与应用现状

目前，国外只有美国贝克休斯公司研制出了免钻型大通径桥塞，并进行了现场应用。2014年，贝克休斯公司发布了商用SHADOW系列压裂桥塞。该型桥塞基于可膨胀管技术原理，主体采用金属材料，结构合理而紧凑，使用方便，可靠性高，并附有由受控电解金属(CEM)纳米结构材料制成的可溶解IN-Tall压裂球。施工时桥塞与电缆坐封工具相连，采用垂直井段靠自重下落，水平井段水力泵送的方式到达工作位置。施工后期无需钻磨桥塞，效率较高，显著降低了作业成本和作业风险。可溶解IN-Tall压裂球在压裂作业时抗压，投产时能在生产流体环境下溶解，从而获得内径较大的油气流动通道。另外，由于桥塞最终留在井内无需钻磨，所以坐封桥塞井深可大于连续油管传输磨铣工具的作业井深，进而可使作业公司延长压裂段长度，增加油藏接触面积，提高产量。

1.1 结构和工作原理

贝克休斯SHADOW系列压裂桥塞结构如图1所示，规格和性能参数如表1所示。

最大外径/mm最小内径/mm承压/MPa耐温/℃适用套管直径/mm(in)111．2569．96938～177139．7(5)93．5050．86938～177114．3(4)89．7050．86938～177114．3(4)

下井时，电缆坐封工具中的通芯式应力拉杆从桥塞上端插入桥塞内腔，通过上剪钉和下剪钉实现与桥塞相连，坐封工具中推筒端面与桥塞上端面接触。坐封时，推筒在火药燃烧产生的推力作用下推动膨胀管下行，膨胀管沿膨胀锥爬坡下行时其下端的可膨胀环膨胀，同时施加下推力于膨胀锥；上剪钉被剪断，膨胀锥下行推动整体式卡瓦致其分瓣破裂。卡瓦锚定套管的同时胶筒在可膨胀环作用下完全胀开与套管内壁贴紧，密封油套环空；随火药推力增大，下剪钉被剪断，实现坐封工具与桥塞的分离。

1.2 现场应用

2014年，贝克休斯技术人员在加拿大HornRiver盆地页岩气藏的7口井中开展了桥塞—射孔联作分段压裂技术的施工，进行了SHADOW桥塞和复合桥塞的现场对比试验。其中2口井根据工况采用施工模式A(一口井使用SHADOW桥塞，一口井使用复合桥塞)。另外5口井根据工况采用施工模式B(一口井使用SHADOW桥塞，其余4口井使用复合桥塞)。两种施工模式产量数据如图2～3所示。

图2 施工模式A产量数据

图3 施工模式B产量数据

结果显示：7口井中，采用SHADOW桥塞的2口井的产量与采用复合桥塞的5口井的产量相同，但由于SHADOW桥塞无需钻除，每口井节省了大约2 d时间和＄15万美元；施工过程中，SHADOW桥塞展现出良好的密封效果和锚定效果；纳米结构材料制成的可溶解压裂球在不到1 d的时间里全部溶解，留下SHADOW桥塞在井底提供生产通道。

2 国内研制与应用现状

目前，国内只有少数油田、钻采公司和科研机构研制出了免钻型大通径桥塞或研制情况取得重大进展，并且应用规模较小，技术性能也有待提高。

2.1 长庆大通径免钻桥塞

2014年，长庆油田成功研制出大通径免钻桥塞，该型桥塞借鉴复合桥塞结构和工作原理，设计了返排、生产通道，通过投掷可溶性压裂球实现桥塞的临时性封堵。压裂施工后可溶性压裂球溶解，留桥塞在井底，建立井下流体通道；桥塞无需钻磨，可直接放喷、排液、投产。

该型桥塞结构如图4所示，工作原理和普通复合桥塞相同，规格和性能参数如表2所示。

1—上接头；2—卡瓦；3—卡瓦座；4—护腕；5—中胶筒；6—端胶筒；7—挡环；8—端环；9—下接头。

总长/mm最大外径/mm最小内径/mm承压/MPa耐温/℃适用套管/mm7261105070120121～124

同年，该型桥塞成功应用于42口水平井，施工排量 8～15 m3/min，单井最多压裂18段66簇，累计358段1 328簇，压裂施工效率较常规复合桥塞压裂工艺提高50%，平均单井产量是相邻直井的6～8倍[6]。

2.2 中石化工程研究院大通径桥塞的研制

2014年，中石化石油工程技术研究院承担的“大通径桥塞研制”项目取得重大进展。针对常规压裂桥塞内通径较小、钻铣耗时较长、钻屑循环困难、作业成本较高等问题，该项目借鉴美国贝克休斯SHADOW系列压裂桥塞，旨在研制出一种基于可膨胀管技术原理的免钻型大通径桥塞。

项目组完成了桥塞封隔单元投球及密封性能、膨胀套筒材料可钻性能等试验[7]。结果表明：封隔单元及低密度可降解球承压能力可达70 MPa，坐封机构的膨胀性能及可钻性均满足设计和使用要求。针对层层技术难关，项目组结合前期试验结果，进行大量计算分析和性能试验，完成了膨胀套筒材料的优选及热处理工艺研究。通过结构优化、材料优选及热处理工艺研究，将桥塞内径由原来25 mm扩大到70 mm，成功研制出适用139.7 mm(5英寸)套管的大通径压裂桥塞，无须钻除即可满足投产、排采的要求。

2.3 山东杰瑞大通径免钻桥塞

2015年，杰瑞公司成功研制出免钻型大通径桥塞。该型桥塞结合复合桥塞结构和工作原理，将现有技术中内径较小、管壁较厚的复合材料中心管改为内径较大、管壁较薄的金属中心管。金属中心管的硬度、强度较高，所以壁厚减小、内径增大也可以满足强度要求。另外，由于金属中心管结构强度较好，坐封过程中不会因其管壁较薄和塑性特性等原因发生损坏，可以顺利完成坐封，保证桥塞的正常使用。该型桥塞结构如图5所示，工作原理和普通复合桥塞基本相同。

1—上接头；2—上剪钉；3—倒齿环；4—端环；5—副胶筒；6—主胶筒；7—中心管；8—护腕；9—锥体；10—锥体剪钉；11—卡瓦；12—引鞋头；13—丢手剪钉；14—可溶球。

同年，杰瑞公司利用该型桥塞成功为中石化西南油气分公司页岩气井提供“电缆泵送大通径桥塞+可溶球”分段压裂技术服务，顺利完成16段水平井电缆泵送桥塞—射孔联作施工。施工过程中，泵送桥塞压力最高达72 MPa，井口施工压力最高92 MPa，压裂施工排量最高15 m3/min，施工难度较大。杰瑞公司完井团队凭借成熟的施工设计和技术能力，15 d时间即顺利完成16段水平井的压裂施工，一次性为甲方节省近百万元的桥塞钻磨费用。

2.4 中石油西南油气田公司大通径桥塞

2015年，中石油西南油气田公司成功研制出大通径桥塞。该型桥塞及配套工具是集团公司“页岩气钻采工程现场试验”和“油气藏储层改造技术重大现场攻关试验”项目的重要研究内容，用于配套页岩气水平井分段压裂，结构如图6所示，工作原理和普通复合桥塞基本相同。该型大通径桥塞采用单卡瓦锚定，结构简单可靠，外径109.55 mm，内径76.2 mm，长度381 mm，承压70 MPa，耐温204 ℃，压裂球尺寸82.55 mm[8]。

图6 中石油西南油气田公司大通径桥塞

该型桥塞在四川内江WH3-1页岩气水平井进行了现场应用。压裂完工后，未钻磨桥塞即排液测试，截至试油完成，累积排液9 146 m3，占应排量的22.45%。施工结果表明：该型大通径桥塞可满足不同排量泵送要求，坐封可靠，可溶性压裂球压裂作业时抗压，并能确保入井后24 h内的完全密封，后期在生产流体环境下自然分解。压裂后桥塞无需钻磨，直接放喷、投产，即可满足排采要求[9]。表明自主研制的大通径免钻桥塞性能达到国外引进同类工具同等水平。另外，该型桥塞在长宁H12-2井和H12-3井被成功应用。该型桥塞的现场成功应用标志着西南油气田公司页岩气改造工具国产化进程迈出重要一步，对掌握自主知识产权、降低页岩气开采成本、实现页岩气优质高效开发具有重要意义。

2.5 四川威尔敦大通径免钻桥塞

2015年，四川威尔敦公司成功研制出免钻型大通径桥塞，该型桥塞采用单卡瓦结构，主体零件同样采用金属材料，压裂后，可以及时排液，提供生产通道，节约施工成本，消除连续油管钻磨作业风险。结构如图7所示，规格和性能参数如表3所示。

1—上接头；2—护腕；3—中胶筒；4—端胶筒；5—锥体；6—卡瓦；7—下接头。

最大外径/mm最小内径/mm承压/MPa耐温/℃适用套管/mm主体材料103．2069．8570120112～115．5铸铁109．5276．270120118．6～124．3铸铁

3 存在问题及发展展望

虽然2014年以来国内外已经有多家公司和科研单位成功研制出免钻型大通径桥塞并进行了现场应用，但关于大通径桥塞的研制与应用仍然有很多问题需要关注和探索。

1) 目前研制出的大通径桥塞还没有形成系列化，大多是仅适用139.7 mm(5英寸)套管，尺寸规格、配套工具、耐温、承压能力等均没有形成系列化。

2) 大通径桥塞目前只是在个别井场被成功应用，并没有在多数井场得到大规模应用，什么样的井筒工况适合采用大通径桥塞压裂，并没有参考标准，还需要随着不断应用进行技术积累和总结。

3) 与钻除桥塞保持光井筒投产的压裂工艺相比，大通径桥塞会节流油气的流动。在多大的井筒流量下，大通径桥塞对油气流动无节流作用或节流作用较小，是本领域科研技术人员值得研究的一个课题。

目前，国内外大通径桥塞的结构主要分为：无中心管的可膨胀套筒式和有中心管的普通桥塞式，主体结构大多采用金属材料。无中心管的可膨胀套筒式由于没有中心管，并且采用可膨胀套筒结构，坐封时工具内通径显然较大，是大通径桥塞的研究和发展方向。工具坐封时可膨胀套筒需要发生较大塑性变形，同时还要保证强度要求，其材料的选择和结构尺寸确定是工具研制过程中的最大挑战。大通径桥塞的显著特点是内通径较大，研制过程中在追求工具较大内通径的同时，还要注意保证胶筒的密封性能和卡瓦的锚定效果。

4 结论

1) 免钻型大通径桥塞是一种新型的页岩气分段压裂工具，具有内通径较大、无需钻磨等优点，避免了复杂的桥塞钻磨工序以及所带来的种种问题。该工具的成功研制与应用为国内外规模日益扩大的页岩气开发奠定了坚实的技术基础。

2) 加强大通径桥塞结构创新，扩大应用规模，不断积累经验、分析对比，开发出适用不同井筒尺寸和不同井筒工况的系列化产品。

3) 利用数值模拟技术，分析不同井筒流量下，大通径桥塞对油气流动的节流影响。将数值模拟结果与现场应用情况结合起来，对大通径桥塞进行结构优化设计，进一步减小其对油气的节流作用、提高密封性能和锚定效果。

[1] 姚展华，张世林，韩祥海，等.水平井压裂工艺技术现状及展望[J].石油矿场机械，2012，41(1)：56-62.

[2] 伊西锋，李玉宝，李明，等.胜利油田管内分段压裂技术及应用[J].石油矿场机械，2015，44(4)：86-90.

[3] 胡相君，李旭梅，王效明，等.114.3 mm套管水平井试气用桥塞室内试验研究[J].石油矿场机械，2014，43(2)：82-86.

[4] Yang Li，Adrian Terry，Christopher Parr，et al. Using Coiled Tubing to Safely and Efficiently Mill Out Composite Bridge Plugs Set Across Zones with Significant Differential Pressures[J].SPE，173671，2015.

[5] 白田增，吴德，康如坤，等.泵送式复合桥塞钻磨工艺研究与应用[J].石油钻采工艺，2014(1)：123-125.

[6] 任勇，冯长青，胡相君，等.长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析[J].中国石油勘探，2015(2)：75-81.

[7] 魏辽，马兰荣，朱敏涛，等.大通径桥塞压裂用可溶解球研制及性能评价[J].石油钻探技术，2016(1)：90-94.

[8] 陈海力，邓素芬，王琳，等.免钻磨大通径桥塞技术在页岩气水平井分段改造中的应用[J].钻采工艺，2016(2)：123-125.

[9] 陈海力，邓素芬，王琳，等.蜀南地区储层分段改造技术新进展及应用[J].钻采工艺，2015(5)：52-54.

Development and Application Status of Non Drilling Type Bridge Plug with Large Internal Diameter

LI Pengfei，LIU Xuhui，WANG Jie

(CollegeofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China)

Staged fracturing of plug-and-perforate is the main technical mean for shale gas development at home and abroad.In order to ensure the smooth flow of oil and gas in later stage，we need to drill bridge plug using coiled tubing milling tool.There are problems such as take longer，high cost，and easy to stick.Developing non drilling type bridge plug with large internal diameter to replace composite plug can deal with the problems.The domestic and foreign development and application status of large internal diameter plug and introducing the structure，principle，technical features，specifications and performance parameters and field application are investigating.The main problems and development trend analyzed and suggestions on developing large internal diameter plug are given.

bridge plug；development；application

2016-05-18

长江大学油气钻完井工具研究中心2015年度创新基金：稠油热采双管封隔器关键问题研究(DCT201501)

李鹏飞(1989-)，男，河南周口市人，硕士研究生，研究方向：石油井下工具的设计、研究、诊断及模拟仿真，E-mail：1804338069@qq.com。

1001-3482(2016)11-0093-05

TE934.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.020