可溶桥塞镶齿卡瓦研制及实验评价

刘 辉，喻 冰，杨 海，李 明，严俊涛

(1中国石油西南油气田公司工程技术研究院2四川圣诺油气工程技术服务有限公司)

可溶桥塞分段压裂技术是页岩气藏开发领域的一项新兴技术，该技术在压裂时提供稳定的层间封隔，压裂完成后无需钻磨桥塞，仅依靠井筒内温度及液体环境即可实现完全溶解，保证井筒全通径，为后期生产测试提供有利条件［1－6］。可溶桥塞的锚定卡瓦有异于常见的铸铁卡瓦和复合材料卡瓦，除了需要提供可靠的套管锚定力和胶筒锁紧力之外，还必须具备良好的溶解性能及返排能力。鉴于此，通过技术攻关，研制了适合于锚定在外径139．7 mm、壁厚12．7 mm套管内，与外径103 mm桥塞匹配的分瓣式可溶材料镶齿卡瓦，并开展了室内测试。

一、可溶材料镶齿卡瓦研制

1．结构设计

可溶材料镶齿卡瓦设计为分瓣式结构，由8片可溶材料载体、8块小卡瓦及2个箍环组成，可溶载体尺寸为长59 mm×宽32 mm×厚17 mm，小卡瓦尺寸为长22 mm×宽16 mm×厚6．5 mm，箍环尺寸为外径101 mm×内径96 mm×环高3．2 mm，其结构示意图如图1所示。

2．工作原理

可溶材料镶齿卡瓦套在桥塞中心管上，胶筒上下各匹配一个，利用坐封工具产生的推力挤压卡瓦端面与中心管产生相对运动，随着挤压力的增大，箍环断裂，卡瓦继续沿着锥体滑道移动，紧紧的锚定在套管内壁上，最终达到支撑桥塞、锁紧胶筒的效果。压裂施工结束后，卡瓦在井下温度及液体环境中逐渐溶解并随返排液排出井筒。

图1可溶材料镶齿卡瓦结构示意图

3．材质优选

载体材质选用镁基合金可溶材料，能够提供足够支撑力的同时与桥塞本体具有一致的溶解性能;小卡瓦材质的选择首要考虑其与套管锚定的可靠性，为了把风险控制到最低，小卡瓦还应同时具备返排性能和可打捞功能，因此小卡瓦材质选用低密度高硬度磁性材料。

二、镶齿卡瓦有限元分析

1．有限元模型建立

运用有限元分析方法对镶齿卡瓦锚定过程中的弹塑性接触进行了模拟计算，为了确保计算精确，采用三维全尺寸模型，模拟镶齿卡瓦锚定过程，对锥体施加承载力50 MPa，对套管壁及中心杆施加位移约束［7－9］。计算模型包含单元63 051个，节点350 889个，有限元模型网格划分如图2所示。

图2有限元模型示意图

2．有限元计算结果分析

根据模型的弹塑性接触有限元分析结果，得到套管内壁接触力和接触应力分布云图(图3)。卡瓦与套管接触产生接触力，从云图中发现卡瓦张开后周向均匀分布，各卡瓦牙在套管内壁产生的接触力、接触应力大小也相当接近，说明桥塞坐封后能很好居中，各方向均匀锚定，不会出现明显薄弱点。套管内壁与卡瓦接触部位的最大接触力、接触应力达到13．566 kN和227 MPa，表明卡瓦牙在套管内壁锚定可靠。

图3套管内壁接触力和接触应力分布云图

三、镶齿卡瓦实验测试

为了检验可溶材料镶齿卡瓦的锚定可靠性和溶解性能，利用万能材料试验机对镶齿卡瓦的运动、锚定和压裂承载过程进行了测试，利用电控恒温水浴装置提供井下高温、流体条件，模拟了镶齿卡瓦的溶解过程。

1．实验测试设备及工装

GT－7001－LAS100型万能材料试验机作为本试验的动力模块，其最大驱动推力1 000 kN，速度控制范围0．01～70 mm/min，压缩有效行程790 mm。试验用管材与现场应用套管一致，外径139．7 mm，内径114．3 mm，长度400 mm，钢级BG125V。可溶基体镶齿卡瓦试验评价工装由模拟中心管、支撑锥体和承力座组成，工装示意图如图4所示。

图4试验评价工装示意图

2．实验测试步骤

(1)按照图4所示的试验工装连接好各部件，调节万能材料试验机压杆高度，将试验工装置于万能材料试验机基座上，调整工装位置使其中心与压杆中心轴线对齐。

(2)在试验工装外部套入套管，应尽量保证试验工装与套管同心，调节万能材料试验机压杆高度，使其下端面与试验工装上端面接触。

(3)启动万能材料试验机控制系统，设置驱动推力上限值150 kN(模拟桥塞坐封丢手值150 kN)，压杆下行速度10 mm/min，确认后开始进行卡瓦锚定模拟试验。

(4)卡瓦锚定后，从套管底部取出承力座，释放镶齿卡瓦下部支撑力，重新调节压杆高度，设置驱动推力上限值500 kN(模拟桥塞压裂承载压差50 MPa)，压杆下行速度5 mm/min，确认后开始进行压裂承载模拟试验。

(5)向电控恒温水浴装置内加入取自现场某页岩气井的返排液20 L，返排液氯离子浓度约1%，设置恒温值90℃。待液体温度达到设定值后，将8片镶齿卡瓦浸泡于液体环境中进行溶解试验。

3．实验测试结果分析

在卡瓦锚定模拟试验中，万能材料试验机下压力达到约12 kN时，2组箍环先后破裂，压杆继续下行，当下压力达到150 kN时，卡瓦上端面行程13．5 mm，镶齿卡瓦完成锚定，卡瓦锚定模拟试验曲线如图5所示。

在压裂承载模拟试验中，万能材料试验机下压力达到500 kN时，卡瓦上端面行程3．3 mm，卡瓦下端面几乎无位移，试验结果表明可溶基体镶齿卡瓦在套管内锚定可靠，压裂承载模拟试验曲线如图6所示。

镶齿卡瓦在90℃高温、氯根含量约1%的返排液环境中浸泡6．5 d后，基体全部溶解，日溶解率约16．38%，试验结果表明可溶基体镶齿卡瓦溶解性能良好，镶齿卡瓦溶解试验曲线如图7所示。

图5卡瓦锚定模拟试验曲线

图6压裂承载模拟试验曲线

图7镶齿卡瓦溶解试验曲线

四、结论

(1)可溶桥塞的锚定卡瓦有异于常见的铸铁卡瓦和复合材料卡瓦，除了需要提供可靠的套管锚定力和胶筒锁紧力之外，还必须具备良好的溶解性能及返排能力。

(2)当下压力达到150 kN时，卡瓦上端面行程13．5 mm，镶齿卡瓦完成锚定。万能材料试验机下压力达到500 kN时，卡瓦上端面行程3．3 mm，卡瓦下端面几乎无位移。镶齿卡瓦在90℃高温、氯根含量约1%的返排液环境中浸泡6．5 d后，基体全部溶解，日溶解率约16．38%。

(3)测试结果表明可溶材料镶齿卡瓦结构设计及材料选型合理，在套管内壁锚定承载性能可靠，溶解性能良好，能够满足现场压裂施工要求。