桥塞技术的发展历程及现状分析

刘 奔

(中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 102200)

页岩气等非常规油气藏通常在储层接触面积增大时变得经济，多级水力压裂是增加储层接触面最成功、最经济的方法之一。致密地层水平井压裂需要隔离不同位置的裂缝区域，并将流体引入下一个压裂层位[1-2]。桥塞与射孔联作技术是进行水力压裂最有效的方法之一，其利用桥塞来封隔井筒内的下层，使用射孔枪射开桥塞上部套管，实现对上一层段的压裂。这一技术有各段之间隔离可靠、现场施工操作简单、可进行分层试油，施工规模大，分层级数不受限制等优势。

自1949年水力压裂技术实现了商业规模以来，其工艺技术得到了长足的发展，而作为其施工中重要的层间封隔工具——桥塞[3-5]，也随着压裂工艺的更新而与其交替前进，相互影响，从最初的可回收桥塞到可钻桥塞，再到可溶桥塞，其封隔性能及工艺的可靠性逐步提升，对油气井的影响越来越小，施工效率也更高。

本文以水力压裂完井为需求，论述了桥塞随其工艺技术的进步更新而不断发展的过程，并以哈里伯顿、斯伦贝谢和威德福的桥塞为例，详述了桥塞的结构特点与发展趋势，处在蓬勃发展的道路上，可溶桥塞与传统的复合桥塞都在向着大通径、小型化的方向发展，在水平井分段压裂中发挥着重要作用。

1 可钻桥塞

最早用于层间封隔的桥塞是可回收的[6]，作业完成之后会用专门的工具取出桥塞，然而在压裂完成之后，残留在井筒中的砂子经常会卡进可回收桥塞里面，从而使可回收桥塞解封困难。一种用于废弃井的封隔和处理固井施工过程中问题的层间封隔工具被引入用来压裂过程中的层间封隔，这种永久性入井的封隔工具由于无需回收利用，可以简化掉回收机构，减少了零件个数，降低了桥塞设计的复杂性，极大地降低了临时封堵的作业成本和风险。

1.1 可钻金属桥塞

与弃井中的永久层间封隔工具作业不同，应用于压裂过程中的桥塞在井筒作业完成后需要去除，用于反排、生产以及后续的作业。为了实现全井筒的畅通，在压裂施工完成后需下一趟钻，将井筒中所有的桥塞磨铣掉，因此相比于可回收桥塞反复坐封和解封来实现层间封隔，采用一次性可钻桥塞，无需反复坐挂，不仅降低了时间成本，而且还避免了多次坐封胶筒带来的可靠性问题，完井效率大幅提高。

磨铣作业的时间和经济成本成为一次性桥塞首先需要考虑的问题。为了便于磨铣，这种桥塞最早采用可锻铸材料制成的，如铸铁、铝、镁和黄铜。镁和铝材料需要涂层来减少井筒内流体的腐蚀，而黄铜由于其磨屑的粘性降低了磨铣效率。铸铁具有高强度、低成本、良好的铣削性能和成熟的工艺，因此最终应用于一次性使用桥塞。图1为哈里伯顿铸铁材质的桥塞，磨铣一个铸铁桥塞理论时间大约为1.5～2.0 h。

图1 哈里伯顿可钻铸铁桥塞

随着压裂技术的进步以及水平井的应用普及，井筒需要压裂的段数也越来越多，铸铁桥塞的问题开始凸显。在钻磨过程中，当锥体卡瓦松弛，桥塞剩余部分会落入下一个桥塞上，这样较大的铸铁桥塞残留将使下一个桥塞很难钻磨，而且由于铸铁材料密度较大，钻磨的碎屑也不利于循环排出。全井桥塞越多，钻磨难度越大，极端情况下还可能出现油管卡死、需要打捞，其作业效率很低。例如，早期应用于煤层气直井压裂的铸铁材质桥塞，钻除顶部桥塞用时2 h，顶部桥塞卡瓦脱落后部分铸铁落到下一个桥塞顶部，这样导致下一层位的压裂砂很难循环出井筒，降低了磨铣效率。处在层间的桥塞都存在这一问题，从而使层间桥塞需要12 h钻除，甚至更多。在一次现场作业中，为了钻除铸铁桥塞，整个井场耽误了8 d时间[7]。在水平井中，铸铁桥塞的重力优势也成为了劣势，因为较重的桥塞在水平井中摩擦力增大，使泵送困难，更不用说磨铣了。

1.2 可钻复合桥塞

为了解决铸铁桥塞在水平井压裂发展过程中的应用局限性，工程师们开始在桥塞结构和材料上进行优化，一种采用复合材料制造的桥塞应运而生[7-8]，其泵送性和可钻性远超铸铁材料。复合材料一般是由基体材料和增强剂复合而成，高分子材料是最常用的基体材料，而增强剂为玻璃纤维、碳纤维碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维等[9]，应用于桥塞上的材料一般为树脂基复合材料，其采用环氧树脂加玻璃纤维[10-11]，可钻性强，磨铣后的碎屑尺寸小，容易循环带出地面，不会像金属碎屑那样发生沉淀。

为了加快设计流程，尽快满足现场的应用需求，从最早的铸铁到复合材料的桥塞，其结构与坐封原理基本相同，图2为哈里伯顿Fas Drill复合桥塞，与图1中铸铁材料桥塞结构非常相似，这种采用上下2个卡瓦组实现双向坐挂，采用三胶筒实现层间密封的结构是经典的桥塞设计，其施工工艺为将桥塞连接在坐封工具上，一同泵送到井筒中指定位置。采用液压或火药坐封桥塞时，中心杆推动上下2个卡瓦沿着各自的锥体向上滑动，并压缩胶筒向径向膨胀。当卡瓦坐挂和胶筒坐封完成后，坐封工具对桥塞丢手，取出上部管串，由于其中心杆上开有一通孔，压裂前还需要从井口投入压裂球封堵中心杆上孔眼实现层间隔离。然后进行压裂施工，重复这一操作，可完成多段的压裂施工，最后待桥塞施工结束后，下钻磨工具磨铣桥塞。当桥塞上部卡瓦被钻穿时，顶端的楔形体会掉入或被推入到下一层桥塞的顶部卡住，便于继续钻磨，磨铣一个复合桥塞的时间可以控制在30 min以内[12-14]，当全井筒桥塞全部清除后，可实现反排和回采油气。

图2 哈里伯顿Fas Drill复合桥塞

早期的桥塞中心杆上并没有通孔，如图1中桥塞的中心杆上部是实心结构，其坐封丢手后，可以直接压裂[15]。图2中的桥塞与早期的铸铁桥塞最大改进是在芯轴上开有通孔，这样在压裂完成能够尽快反排，以减小对储层的伤害。在可溶材料应用到石油行业之前，投入的压裂球主要是高分子聚合物材质，这样在反排过程中，所有压裂球被顶到上一级桥塞底端，由于桥塞底部开有侧孔，压裂球不会封堵住过流通道，从而实现快速反排，但后期进行生产作业时，仍需钻掉所有桥塞。

在提高磨铣效率方面，除了采用磨铣效率更高的复合材料外，缩小桥塞的体积减少材料用量也是工程师们重要的研究的方向。在改进桥塞结构方面，各大油服公司也是各显神通，图3为哈里伯顿微型复合桥塞，是前代Fas Drill复合桥塞的微型版，通过优化中心杆与胶筒结构，减小桥塞长度，139.7 mm(5英寸)的Fas Drill复合桥塞优化后的长度从850. 6 mm缩减到545.8 mm，长度缩小了近36%，但其同样能够保证69 MPa(10 000 psi)的封隔压力。

图3 哈里伯顿Fas Drill微型复合桥塞

斯伦贝谢也研发出了微型的易钻复合桥塞FracXion，如图4所示，139.7 mm(5英寸)的FracXion桥塞长度仅有415 mm，同样能保证在135 ℃下69 MPa(10000 psi)的封隔能力。为了提高磨铣效率，斯伦贝谢还将桥塞的锚定牙改为中空的金属或陶瓷结构。图5中所示的威德福2018年发布的minima复合桥塞，其由一个复合材料本体、复合材料卡瓦、丁腈橡胶(NBR)弹性体和铸铁卡瓦和金属粉末球齿组成[16]，139.7 mm(5英寸)的minima桥塞长度最短的达到了304.8 mm，整个桥塞在井下钻除只需要5 min。

图4 斯伦贝谢 FracXion微型复合桥塞

图5 威德福minima复合桥塞

2 可溶桥塞

随着深井、超深井的开发，采用连续油管磨铣作业也有其局限性，在连续油管无法达到的深层压裂作业，复合桥塞的清除是一个问题，磨铣过程也可能会对压裂的储层有一定影响，深井的井眼偏差和复杂性也会增加卡钻的风险，降低磨铣的效率。

2.1 可溶材料

为了寻找一种既能满足现场作业的压力和温度要求，又能在生产开始后很快分解的材料，研究人员对大量材料进行了分析。主要挑战是寻找具有必要力学性能的可溶材料，控制其在井底条件下的溶解时间，同时保证增产作业所需的工作时间。起初，可降解高分子复合材料(主要为PGA)被考虑，但在低于66 ℃的井中几乎无法溶解，且材料的强度低于要求而最终被否定[17]。后来，研究者转向了金属系列，2010年国外开始出现的可溶合金材料是一个革命性的创新，研制出的特殊合金具有所需的物理强度和化学性能，并且在各种井底条件下都能控制降解。这种可溶合金首先应用在制备压裂球上，2011年，贝克休斯研发了应用在滑套上的可溶解压裂球，具有质量轻、强度高、可控溶解等特点，并于当年在北美油气压裂中成功应用，并逐步替代了桥塞上不可溶解的压裂球。

借助可溶材料的发展，研究者创新性地将整个桥塞采用可溶解材料制造，这大幅减少甚至不再需要连续油管的磨铣作业，进一步降低了整体风险和成本[18-20]。在油气井环境条件下自主溶解的材料主要采用镁铝合金，这种在20世纪70年代被否定的材料，再次被运用在桥塞上。金属或合金的降解过程的副产品是一种细小的粉末，它不会影响反排和生产。数小时到数天，桥塞就会慢慢降解，转化为氢氧化物，同时释放出少量的氢气，直到完全溶解[21-22]。采用可溶材料制造的桥塞主要的技术要求有2点，一是具有足够高的封隔能力；二是溶解时间可控。而可溶镁铝合金的溶解性能与井下的温度和矿化度密切相关，为了使用这些可溶解的桥塞，必须仔细评估桥塞的使用环境[23-24]。

要想使桥塞实现整体溶解，作为封隔的重要零部件橡胶也需要用可溶材料，可溶解塑料由于其韧性和弹性都达不到要求而无法代替橡胶，因此，必须研发一种新型橡胶弹性体，使它不仅具有传统橡胶的强度与弹性，也能在井下流体中自主降解。研究者采用传统的聚合物为基体，改性制造了一种可降解弹性体，这种橡胶弹性体采用水解的溶解机制。弹性体水解是其与水反应而使化合物发生化学分解的过程，其原理是通过提高橡胶的吸水性，破坏聚合物链上活性基团上的键，从而使弹性体分子连接减弱并断裂，实现弹性体的降解[25]。随着井下地层温度升高，降解作用会进一步增强。这种橡胶材料实现了在井筒流体中可控降解，并能保持较高的弹性和强度。

2.2 可溶桥塞结构

在可溶解压裂球出现之后，一种大通经的桥塞一度成为研究的热点[26]，其由不可降解的材料(如铸铁或钢)制成。依靠具有较大的内通径本体和可降解球组成，前者充当不可溶解的球座，后者为压裂提供暂时封堵。可降解球与大通径桥塞结合使用，在完全可溶解的桥塞出现之前，被视为一种过渡技术。这种类型的桥塞仍然具有铸铁桥塞的一个弱点，由于这些桥塞的设计是永久放置的，如果发生了提前坐封的情况，要完全移除它们是极其困难的。如果在设计的位置上成功坐封，这些大通径桥塞可以满足生产作业流程，但留在井筒内的桥塞本体会形成井径限制，可能会使未来的井下作业复杂化，并可能影响生产。

2015年，业界出现了在井筒中可自行溶解的桥塞，图6为哈里伯顿Illusion可溶桥塞，是业界第1个可溶桥塞，封隔能力仍然达到了69 MPa(10 000 psi)，虽然其结构与Fas Drill微型复合桥塞非常相似，但却比复合桥塞更加短小，其139.7 mm(5英寸)结构的桥塞长度仅为443 mm[27]，这种桥塞主要由可溶合金本体、锚定机构以及同样可溶的密封胶筒组成，压裂完成后无需磨铣作业，桥塞在井下温度和盐度的基础上随着时间降解。

图6 哈里伯顿Illusion可溶桥塞

哈利伯顿的Illusion可溶桥塞结构从其可钻桥塞演化而来，但是这种原始的结构使得桥塞的体积仍然较大，严重影响其溶解速率，可溶解桥塞必须改变传统的铸铁和复合桥塞结构的设计。

斯伦贝谢研发的新型可溶桥塞采用了全新的结构设计。图7为斯伦贝谢 ReacXion可溶桥塞，其创新性的将密封胶筒与锚定卡瓦放置于同一个锥体上，其胶筒的密封方式不在是压缩胶筒径向膨胀形成密封，而是利用锥体使密封胶筒周向涨封，由于密封原理的改变，实现了密封胶筒的小型化，斯伦贝谢这种可溶桥塞具有在149 ℃井下密封69 MPa(10 000 psi)压差的能力，其长度只有226 mm，几乎只有哈里伯顿Illusion可溶桥塞长度的一半，由于这种结构的桥塞坐封丢手后不需要中心杆，因此其另一个特点就是大通径，其63.5 mm的大通径即使在油井立即开启后，该桥塞的设计也能提供足够通径的油气通道。

图7 斯伦贝谢 ReacXion可溶桥塞

近年哈里伯顿同样在桥塞小型化方面发力，研发了其下一代可溶桥塞产品Illusion Spire，其结构如图8，与其上一代产品Illusion常规可溶桥塞相比，其一个显著特点就是采用了单边坐挂的方式，而且胶筒的坐封原理也进行了更改，其创新性的坐封过程为：当坐封工具点火坐封时，推动左边的锥形推杆向胶筒内部移动，然后使预置在胶筒内的金属膨胀弯曲变形，顶起胶筒使其密封桥塞与套管的环空间隙，图8b是其坐封丢手后的状态，变形的金属将胶筒顶起形成环空封隔，丢手后，坐封工具连同坐封中心杆一并提出井口，因此坐封后的桥塞也不再具有中心杆结构，从而增加了桥塞通经，这种新一代的139.7 mm(5英寸)可溶桥塞的结构长度已经缩小到203.2 mm，几乎是业界最小巧的可溶桥塞之一。

图8 哈里伯顿Illusion Spire可溶桥塞

这种全新的结构设计，工程师们也在复合桥塞上进行试探，因此，出现了复合桥塞与可溶桥塞极其相似的结构设计，反过来又提高了复合桥塞的经济和效率。但是，可溶桥塞的风险和成本低于普通复合桥塞，越来越多的浅层和中深层的井也开始应用，通过对可溶材料的不断优化改进，应用于不同温度、矿化度下的可溶材料逐渐被研发出来，大幅提高了可溶桥塞的适用性。这种溶解速率可控、密度低、强度高的可溶合金桥塞极具发展前途。

现阶段一种新型的采用金属密封来代替橡胶密封的桥塞成为研究热点，这是因为橡胶有其局限性，其存储环境相比金属苛刻，承压能力及温度适应性不强，而且其在井筒中完全溶解的时间普遍比可溶合金要长。采用金属密封的桥塞，其密封结构由于无需挡圈保护，结构得到进一步的简化，图9为KLX研发的可溶桥塞，其采用金属密封为主，橡胶圈辅助密封的封隔方式，因此其密封结构相当简单，无需防突机构和挡环等辅助增强结构，这种金属密封采用高延展率可溶合金制成，可与桥塞本体实现同步溶解。

图9 KLX可溶桥塞

可溶桥塞由于其自溶解特性，使其在减少压裂后期干预作业方面具有很大的经济价值，有针对性地、系统地研究可溶合金在不同温度、Cl-浓度、pH值等外部因素，以及合金元素、微观结构、制备工艺等内部因素对材料的溶解性能影响，是实现材料对井筒环境响应的一致性和可预测性的必要前提。

3 结论

1) 全溶解压裂桥塞在非常规油藏水平井开发中具有优势，特别适用于深井和长水平井。完全可溶解的压裂桥塞无需进行额外的磨铣作业，从而大幅降低了拆除压裂桥塞的成本和风险，同时也减少了钻井液对地层的污染。

2) 复合桥塞和可溶桥塞现阶段处在并行发展阶段，但是，随着可溶材料的技术进步，可溶解桥塞的应用范围正在逐步增长，等到可溶桥塞发展到真正的不需要任何类型的清洗时，复合桥塞在临时层间封隔的应用将大幅减少。但在一些特定作业，如弃井、永久性封井中，复合桥塞仍有其不可代替的作用。

3) 一套可溶桥塞并不是对所有的井下环境都适应的产品，研究人员根据可溶材料的溶解特性，考虑井下温度、压裂过程、返排方案，进行详细规划，这将有助于可溶桥塞的成功应用。