可溶性桥塞技术应用现状及发展趋势

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(1.中国石油西南油气田公司 工程技术研究院，成都 610017； 2.中国石油西南油气田公司 川东北气矿，四川 达州 635000)

电缆泵送桥塞+分簇射孔联作分段压裂工艺是目前国内外页岩气藏储层改造、提高页岩气水平井单井产量的主流技术，其中桥塞工具是该工艺技术的关键环节之一[1-2]。可溶性桥塞是一种由新型材料制成的用于水平井压裂改造的井筒临时封隔类分段工具，集常规快钻式复合桥塞和大通径桥塞优点于一体，压裂施工时提供稳定的层间封隔，施工结束后可在井内液体环境中、一定温度条件下自行溶解，无需井筒作业，实现井筒全通径投产[3-5]。国内外多家油服公司和科研机构已研制出可溶性桥塞工具，并开展了现场试验，取得了良好效果。可溶性桥塞的成功应用，有效提高了作业效率，节省了后续费用，降低了施工风险，产生了良好的经济效益和社会效益，推广应用前景广阔。

1 可溶性桥塞技术特点

可溶性桥塞主要由桥塞基体、锚定机构及密封件3部分组成，桥塞基体由高强度可溶材料制成，包括中心管、锥体、保护环及接头等。锚定机构采用可溶材料作为载体，表面经过合金粉粒、合金颗粒或陶瓷颗粒处理。密封件为可溶性橡胶或塑料。

1.1 材质特点

Mg + 2H2O → Mg(OH)2+ H2↑

上述总反应可由以下分步反应组成：

阳极反应，Mg → Mg2++2e-

阴极反应，2H2O+2e-→H2+2OH-

反应产物，Mg2++2OH-→Mg(OH)2

镁铝合金的溶解速率主要与液体温度和Cl-浓度有关，温度越高，溶解越快；Cl-浓度越高，合金表面钝化膜破坏越快，液体导电性越好，溶解速率越快。

聚乙醇酸(PGA)是目前最常用于制作桥塞基体的一种高分子材料，经过调制优化，具有接近于镁铝合金的强度和力学性能，在液体环境中、一定温度条件下发生水解反应，高聚物主链上不稳定的C-O键分解成低聚物，最终降解为二氧化碳和水[8]。

高分子材料的溶解速率主要与液体温度有关，当液体温度达到材料玻璃化转变温度后，温度越高，溶解越快。

这个“科普”之名的奖，引来了记者访谈.主题是：能够获奖的科普著作为何没在大陆出版？然后发表了不着边际的评论文章.如果她但凡有点水平，评论的焦点恐怕应该是：究竟什么是科普著作(前提是认同还是否定“吴大猷科普奖”的属性)？

可溶性桥塞密封件是一种高分子材料，有单胶筒、组合胶筒等多种形式，多为热塑性弹性体共混物，其中主相弹性体保证密封性能，分散相水解保证溶解性能，胶筒溶解后呈糊状或碎粒状，易返排。

1.2 结构特征

在结构组成方面，可溶性桥塞的锚定机构具有独特之处。常规桥塞的锚定机构多为整体式铸铁卡瓦或分瓣式硬质合金卡瓦，而可溶性桥塞的锚定机构则是对可溶材料载体进行表面处理，在满足锚定要求的同时，尽量保证溶解效果[9-10]。

一种表面处理方式是在可溶材料载体表面喷涂合金粉末，桥塞坐封后依靠合金粉末与套管内壁的摩擦力来达到锚定的效果；另一种表面处理方式是在可溶材料载体表面镶嵌合金或陶瓷颗粒，颗粒有柱状和块状两种形式，桥塞坐封后镶嵌的颗粒咬入套管达到锚定效果，如图1所示。比较这两种表面处理方式，载体溶解后合金粉末粒径小，极易随液体返出，而颗粒尺寸大、数量多、密度高，返出效果难以保证，后续作业前可能还需采用连续油管进行井筒清理。

1—表面喷涂合金粉末；2—镶嵌陶瓷柱；3—镶嵌合金柱；4—镶嵌陶瓷块镶；5—嵌铸铁块。

另外，可溶性桥塞的锚定方向有单向和双向两种，单向锚定在反向承压时一般要求控制压差不超过10 MPa，双向锚定的正反向承压能力相当。

1.3 整体性能对比

与常规桥塞相比，可溶性桥塞具有不受连续油管作业能力限制，无需进行井筒作业，实现井筒全通径等技术优势，详细对比见表1。

表1 可溶性桥塞与常规桥塞整体性能对比

2 国内外应用现状

国内外一些知名的油服公司和科研机构，例如国外Halliburton、Baker Hughes、Vertechs、Magnum和国内中国石油勘探开发研究院等均已研制出可溶性桥塞工具，并在北美、加拿大及国内川渝等地区开展了现场先导试验。

2.1 Illusion可溶性桥塞

2015-06-15，哈里伯顿公司完井工具业务部在美国休斯敦率先发布了最新研发的代号为“幻觉”(Illusion)的可溶性桥塞(如图2所示)，该桥塞是当时市场上所见报道的首款可溶性桥塞[11]。桥塞主要由合金本体、锚定机构及密封胶筒组成，合金本体由可溶性金属材料制成，双向锚定机构为可溶合金载体镶嵌陶瓷粒方式，陶瓷粒为圆柱状，密封胶筒是一种可溶性橡胶。

图2 Illusion可溶性桥塞示意

据调研资料显示，截至目前Illusion可溶性桥塞已在全球累计入井约5 000只。2017年在国内川渝页岩气示范区足201-H1井开展了现场先导试验，该井井深6 038 m，地层温度130 ℃，采用与139.7 mm套管匹配的Illusion可溶性桥塞进行分段压裂，全井施工累计使用桥塞23只，最大施工泵压达100 MPa，施工过程桥塞性能稳定。

2.2 SPECTRE可溶性桥塞

2015-09-28，在美国休斯敦举办的国际石油工程师学会(SPE)年度技术会议及展览上，贝克休斯公司发布了其首款全可溶压裂桥塞(如图3所示)，桥塞代号“幽灵”(SPECTRE)[12]。该桥塞是一种金属复合材料桥塞，本体由高强度的电解纳米金属材料制成，胶筒材质为特殊聚氨酯，单向锚定卡瓦采用镍基合金涂层技术(涂层厚度0.25～0.38 mm)，压裂时强度稳定，暴露于返排液后溶解性能优良，溶解速率受返排液盐度和温度影响。桥塞溶解后本体完全消失，胶筒和卡瓦涂层呈细小碎粒，可返排出井筒。

图3 SPECTRE可溶性桥塞示意

截至目前，SPECTRE-410系列可溶性桥塞已在美国德克萨斯州、俄克拉荷马州及加拿大等地区成功投放2 000余只。在国内青海油田峁平1井也率先开展了6只桥塞的现场试验，承压及溶解性能满足现场施工要求。

2.3 WIZARD可溶性桥塞

2016年，维泰油气能源公司研发了代号为“魔法师”(WIZARD)的可溶性桥塞(如图4所示)，桥塞基体为可溶性镁铝合金材料，单向锚定机构为可溶载体镶嵌铸铁卡瓦牙，密封胶筒为可溶性橡胶或塑料[13]。

图4 WIZARD可溶性桥塞示意

据厂家提供资料显示，该桥塞坐封后可承压差68.9 MPa(10 000 psi)，溶解后仅剩余8块超小尺寸的铸铁卡瓦块，整体可溶解率大于98%。2017年，WIZARD可溶性桥塞在国内四川长宁页岩气示范区的3口井开展了现场先导试验，累计完成压裂改造40余段。试验期间尝试了当日泵送、次日压裂的作业模式，验证了该桥塞满足现场拉链压裂作业需求。

2.4 MVP可溶性桥塞

2016-02，玛格纳姆公司发布了其最新研发的代号为MVP的可溶性桥塞(如图5所示)，该桥塞主要由高分子聚合物材料制成，是一种可生物降解的环境友好型材料，其溶解速率主要受液体温度影响。桥塞下锥体、卡瓦载体等少部分为镁铝合金，双向锚定机构为可溶载体镶嵌合金颗粒，密封胶筒是一种可溶橡胶，整个桥塞可溶率约为99.5%[14]。

图5 MVP可溶性桥塞示意

据调研资料显示，MVP可溶性桥塞在美国德克萨斯州、科罗拉多州等地区已有400余口井的现场应用实例，累计下入桥塞近6 000只。2016年底在国内长宁、昭通等页岩气区块成功开展了现场先导试验，并取得了良好效果。

2.5 国内可溶性桥塞

中国石油勘探开发研究院成功研发了具有自主知识产权的可溶性桥塞，其主体采用轻质高强可溶合金材料，强度高，耐压差70 MPa，遇水可溶，且溶解时间可控[15]。据相关报道，该可溶性桥塞已在吐哈油田、大庆油田等 9 口油井的压裂作业中使用，并于2016年底在四川威远成功应用于页岩气井的分段压裂改造。

3 结语

可溶性桥塞技术无需任何干预作业而实现井筒全通径，有效解决了快钻式复合桥塞依赖连续油管钻磨和大通径桥塞无法满足生产测井要求的难题。未来，随着可溶材料技术的不断进步，桥塞国产化将被不断推进，市场竞争将变得更加激烈，可溶性桥塞的技术优势和性价比将更加突显，其必将成为页岩气等非常规气藏分段压裂工具的重要发展方向之一。目前，国内的可溶性桥塞技术仍处于起步探索阶段，在桥塞材料性能、室内测试方法及现场配套工艺等方面仍有大量工作需要开展。

1) 强化桥塞材料性能。可溶性桥塞材料的强度和溶解性能必须依据拟应用井况条件进行针对性设计，压裂时具有足够的承压强度和密封效果，溶解性能除了满足井筒全通径的要求，还必须具备可操作的快速处理方案。

2) 优化室内测试方法。目前，可溶性桥塞性能的室内测试主要依据常规桥塞和封隔器相关测试标准和规范，不具备针对性。对于可溶性桥塞性能的测试应充分考虑井筒液体类型、矿化度及井筒温度等因素影响，并结合现场井况和工艺的需求。

3) 完善现场配套工艺。可溶性桥塞是一项新兴技术，为了进一步保证压裂施工质量和压后溶解效果，充分发挥可溶性桥塞技术优势，需优化和完善压裂施工制度与压后排液制度，建立一套有效的现场施工配套技术。

鉴于此，建议加强科研攻关力度，升级完善可溶材料，创新优化桥塞结构，在保证桥塞可靠性能的同时尽量减少桥塞不溶物数量，真正实现无干预作业。