分段压裂用可溶桥塞研究及试验

赵旭亮，刘永莉，贡军民

（1.中国石油大学克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依834000；2.渤海装备辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦124010；3.新疆石油管理局有限公司工程技术公司，新疆克拉玛依834000）

分段体积压裂技术是目前国内外非常规油气藏改造的主体技术[1⁃3]。桥塞是分段体积压裂的核心工具：可钻桥塞在施工完成后需要进行磨铣作业[4⁃5]，增加了作业风险；可溶桥塞在压裂施工完成后可自行溶解，免打捞，免钻磨，无需任何作业，留下的全通径井筒可用于生产和后期措施。国内学者 在 可 溶 桥 塞 和 可 溶 球 的 材 料[6⁃9]、结 构[10⁃15]等 方 面进行了研究，但研究尚处于起步阶段。因此，本文在前人研究的基础上，结合辽河油田压裂需求，开展了可溶桥塞研究和试验。

1 可溶材料研究

研制可溶桥塞的核心是可溶材料，可溶材料包括非金属和金属两种。非金属可溶材料常用的是聚乙醇酸（PGA）[6]，其溶解机理为不可逆的水解反应，降解产物为CO2和水，具有强度高、溶解完全、无残留等特点。金属可溶材料常用的是镁铝合金[7⁃9]，由电极电位较低的基体材料和其他微量元素（稀土元素等）构成。其溶解机理为：由于材料表面组织、晶界及表面缺陷的存在，引起电化学不均匀性，形成无数微电极，当处于含Cl－的电解质溶液中时，在表面构成微观腐蚀电池，产生电化学腐蚀反应从而实现材料溶解。

可溶解非金属材料需要达到一定温度才能溶解，适用范围有限。因此，选择可溶铝镁合金为桥塞本体材料，制备方法选取工作效率较高的熔炼浇铸法，然后进行固溶和时效处理。

若要使可溶材料能应用于可溶桥塞，则在保证强度等力学性能要求的基础上，还必须满足以下两方面要求：

（1）均匀溶解。在材料中加入微量元素，使不同腐蚀区域之间的电位尽量接近，腐蚀速度大体保持一致，且腐蚀方向朝四周扩展，实现可溶材料的均匀溶解。

（2）可控溶解。在溶解过程中，可溶材料表面会形成致密膜，通过在化学成分中添加稀土金属元素并调整其含量，破坏表面致密膜并控制破坏速率，实现材料的溶解速度可控。

在研究溶解机理的基础上，设计了溶解速度不同的可溶镁铝合金的材料成分、铸造工艺及热处理工艺。在溶液Cl－质量分数为1%、温度为90 ℃的条件下，开展了所设计的某配方可溶镁铝合金的溶解性能试验。每隔0.5 h 对可溶试件（10 mm×10 mm×10 mm）进行称重并观察，称重时用吹风机烘干，测试可溶材料的溶解性能。采用两个相同配方的试件开展了溶解性能试验，试验过程中试件形状的变化过程如图1 所示。

图1 试验过程中试件形状的变化过程

试件质量随时间的变化如图2 所示。经计算可知，该配方试件的平均溶解速度为0.184 g/h。在现场应用过程中，可溶材料的溶解速率受井液温度和Cl－质量分数等影响，温度越高，Cl－质量分数越大，溶解速度越快。

图2 试件质量随时间的变化

2 可溶桥塞的研制

2.1 工艺技术原理

可溶桥塞分段压裂工艺技术原理为：

（1）第一层采用油管传输射孔，起出管柱后进行压裂作业。

（2）后面层采用泵送射孔与可溶桥塞联作工艺：①将工具串下入井内，到达大斜度段后，加压泵送工具串至目的层段；②校深后，上提可溶桥塞到坐封位置，点火坐封可溶桥塞；③依次上提工具串至射孔位置，分别完成多簇射孔；④起出管柱，投球泵送到桥塞处，开始压裂施工作业；⑤压裂结束后，重复上述作业步骤，完成其余层段压裂作业。

2.2 结构设计

可溶桥塞的工作原理：利用电缆输送桥塞到井筒预定位置，通过火药爆破产生的推力作用于推环，推动卡瓦锚定，压缩胶筒密封，当坐封力达到设定值时，剪断丢手销钉，坐封工具与桥塞完成丢手，桥塞完成坐封。压裂施工时，投入可溶球，泵送至中心管上端密封面，密封中心管内部空间，开始压裂施工。当压裂作业施工完成后，可溶桥塞自动溶解，随返排及生产过程排出地面。可溶桥塞的结构主要包括锚定机构、丢手机构及密封机构等部分，国内外可溶桥塞结构设计的优缺点见表1。

表1 国内外可溶桥塞结构设计的优缺点

根据辽河油田压裂井层间矛盾大的特点，研制了可溶桥塞，如图3 所示。采用镶嵌陶瓷的可溶双向卡瓦锚定确保桥塞的承压、锚定及溶解性能；材料设计时采用溶解差异性设计，设计中心管溶解速率低于其他部件，避免桥塞溶解过程中发生坍塌形成死堵，始终保持通道畅通，不影响放喷和生产；胶筒选取可降解橡胶材料。研制的桥塞主要包括中心管、推环、卡瓦、可溶胶筒、锥体、下接头等零件，其技术指标见表2。

表2 可溶桥塞的技术指标

图3 根据辽河油田压裂特点研制的可溶桥塞

2.3 配套工具的研制

（1）液压坐封工具。根据可溶桥塞室内试验需要，参照贝克20 火药坐封工具研制了液压坐封工具（见图4），包括上接头、上液缸、下液缸及拉杆等部分，最大坐封力为30 t，有效行程为210 mm。针对液压坐封工具在下入过程中存在内外压不平衡、易提前坐封的问题，设计了压力平衡式结构，确保坐封工具下入过程中的安全性。同时，双级液缸结构可确保液压坐封工具设计为小直径，便于坐封工具进入水平井段。

图4 液压坐封工具

（2）坐封连接装置。分段压裂现场大都采用贝克20 火药工具坐封压裂桥塞，为此研制了坐封连接装置，以确保可溶桥塞能应用于作业现场。坐封连接装置结构如图5 所示，包括连接头和推筒两部分，螺纹分别为 2⁃6ACME 和 31/2⁃6ACME。

图5 坐封连接装置

现场应用时，先将连接头套入推筒，上紧连接头和贝克20 火药坐封工具拉杆处螺纹，将推筒拧至贝克坐封工具最上端，调整位置露出连接头上剪切销钉孔，推入可溶桥塞，上紧剪切销钉，然后调整推筒至合适位置，上紧推筒螺纹处防转销钉。

3 室内试验

为验证所研制的可溶桥塞的性能，开展了承压和溶解性能试验。

3.1 可溶球溶解试验

试验过程：将配备的Cl－质量分数为1% 的溶液加入烧杯，并置于恒温水浴槽，加热至90 ℃后放入可溶球，每隔一定时间捞出可溶球，吹干并测量其质量。可溶球在溶解过程中的形状变化如图6 所示，压裂球质量随时间的变化如图7 所示。由图6及图7 可见，在溶液Cl－质量分数为1%、温度为90 ℃的条件下，可溶球30.0 h 溶解完毕，溶解末期会出现随机碎裂现象。

图6 可溶球在溶解过程中的形状变化

图7 压裂球质量随时间的变化

3.2 桥塞性能试验

（1）承压性能。将可溶桥塞与液压坐封工具连接，放入试验套管（材质P110）内，连接打压接头，开始打压，压力为16.0 MPa 时桥塞丢手，提出液压坐封工具，投入可溶球，试验套管上端连接打压接头，打压72 MPa，稳压15.0 min 无泄漏，证明研制的桥塞满足承压≥70.0 MPa 的要求。试验后桥塞的坐封状态如图8 所示。

图8 试验后桥塞的坐封状态

（2）有效密封和溶解性能。将坐封好桥塞的试验套管置入Cl－质量分数为1%的溶液中，加热至90 ℃并保持13.0 h，捞出试验工具，连接打压接头打压至 70.0 MPa，稳压 15.0 min，压降 0.2 MPa（小于1%），证明桥塞有效密封时间＞12.0 h。继续加热，桥塞充分溶解时间为16.0 d，满足溶解时间15.0～20.0 d 的要求。

4 现场试验

2019 年5 月28 日，应用研制的可溶桥塞在辽河油田开展了现场试验，试验井深3 261 m，桥塞坐封位置3 232 m。

现场试验过程如下：

（1）技术交底。与现场施工人员确定桥塞坐封参数和作业注意事项。

（2）井筒准备。选择合适的通井管柱对井筒进行模拟通井作业，记录管柱起下过程中的张力值，然后对桥塞坐封位置附近进行刮管作业，确保井筒畅通且满足桥塞坐封要求。

（3）连接入井工具管串。可溶桥塞在管串吊起时安装，防止坐封工具在竖直时液缸滑动剪切坐封销钉，引起提前坐封风险，注意剪切销钉须星型上紧。

（4）下入工具串。井口至100 m 处以不超过5 m/min 的速度下放，然后以不超过50 m/min 的速度下放至距坐封位置100 m 处，再以不超过20 m/min的速度下放，在标准接箍处进行校深，然后下放可溶桥塞至设计坐封位置。

（5）坐封可溶桥塞。控制面板下发点火信号坐封可溶桥塞，注意观察管串张力是否存在100 kg 左右的波动。点火后保持3.0 min，确保可溶桥塞充分坐封，然后上提管串至设计位置依次进行分簇射孔作业。

（6）起出工具串。初始以不超过5 m/min 的速度上提工具串，40 m 后以不超过50 m/min 加速起出至距井口10 m 处，然后缓慢提出工具串。

（7）投球压裂。投入可溶球，以0.8 m3/min 的排量泵送可溶球至球座处，然后开始压裂作业。

（8）放喷作业。压裂完成后，关井扩散24.0 h，用2、3、5 mm 的油嘴人工控制放喷排液，每日放喷液量不超过40 m3，确保排出液不含砂。

（9）冲砂回探。若不能进行自喷或放喷作业完成，进行冲砂作业至人工井底，注意观察可溶桥塞是否溶解完毕。

研制的可溶桥塞在现场试验过程中坐封丢手作业顺利。压裂曲线如图9 所示。

图9 压裂曲线

由图9 可以看出，在可溶球到位时油压明显增加，到位显示明显；压裂过程泵入液体1 048 m3，最高压力58.0 MPa；放喷18.0 d 后回探桥塞已溶解，证明可溶桥塞现场试验成功。截止2019 年12 月，该井累产油635 t。

5 结 论

（1）研究了可溶材料的溶解机理，设计了可控溶解镁铝合金，指出了可溶材料的关键性能为均匀溶解性和可控溶解性。在溶液Cl－质量分数为1%、温度为90 ℃的条件下，所设计的可溶材料的平均溶解速度为0.184 g/h。

（2）对比了国内外可溶桥塞结构设计的优缺点，结合辽河油田压裂需求，基于溶解差异性理念和最优化承压、锚定、溶解性能目标，研制了可溶桥塞及配套工具。

（3）开展了可溶球和可溶桥塞的承压、有效密封及溶解性等室内评价试验。结果表明，研制的可溶桥塞承压≥70.0 MPa，有效密封时间＞12.0 h；在溶液Cl－质量分数为1%、温度为90 ℃的条件下，压裂球30.0 h 可溶解完毕，桥塞16.0 d 可完全溶解。

（4）开展了可溶桥塞现场试验，坐封丢手作业顺利，可溶球到位显示明显，放喷18.0 d 后回探桥塞已溶解，证明研制的可溶桥塞能够应用于分段体积压裂现场。