免鉆型大通徑橋塞研制與應(yīng)用現(xiàn)狀

李鵬飛，劉旭輝，王 杰

(長江大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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免鉆型大通徑橋塞研制與應(yīng)用現(xiàn)狀

李鵬飛，劉旭輝，王 杰

(長江大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

橋塞-射孔聯(lián)作分段壓裂是目前國內(nèi)外進行頁巖氣開發(fā)所使用的主要技術(shù)。在該工藝的施工后期，為了保障油氣暢通，需要利用連續(xù)油管磨銑工具鉆除橋塞，存在耗時較長、成本較高、容易卡鉆等問題。研制出免鉆型大通徑橋塞代替復(fù)合橋塞，可以解決這些問題。調(diào)研了國內(nèi)外大通徑橋塞的研制與應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)特點、規(guī)格性能參數(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用情況。分析了存在的主要問題及發(fā)展趨勢。給出了大通徑橋塞研制的建議。

橋塞；研制；應(yīng)用

橋塞-射孔聯(lián)作分段壓裂是水平井分段壓裂技術(shù)中的一種。該技術(shù)是目前國內(nèi)外進行頁巖氣藏等非常規(guī)油氣增產(chǎn)開采所使用的主要手段，具有壓裂級數(shù)不受限制、壓裂層位定位精確、工具管柱簡單、無需起下鉆(勞動強度較低)、施工效率較高、壓裂后形成的縫網(wǎng)更加復(fù)雜、有效改造體積更大等優(yōu)點，在國內(nèi)外頁巖氣藏等非常規(guī)油氣儲層改造中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但是，此工藝施工后期，為了保障油氣暢通，需要利用連續(xù)油管磨銑工具鉆除橋塞[4]，存在鉆磨過程耗時較長、鉆磨作業(yè)成本較高、長水平段鉆磨困難、易發(fā)生卡鉆風(fēng)險等問題[5]。復(fù)雜的橋塞鉆磨工序以及它所帶來的各種問題限制了橋塞-射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)在頁巖氣藏等非常規(guī)油氣儲層改造中的應(yīng)用，如何避免復(fù)雜的橋塞鉆磨工序，成為本領(lǐng)域科研技術(shù)人員需要解決的關(guān)鍵問題。

研制出內(nèi)通徑較大的免鉆型大通徑橋塞來代替復(fù)合橋塞，從而避免復(fù)雜的橋塞鉆磨工序，是目前國內(nèi)外本領(lǐng)域科研技術(shù)人員急需做的。

1 國外研制與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國外只有美國貝克休斯公司研制出了免鉆型大通徑橋塞，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用。2014年，貝克休斯公司發(fā)布了商用SHADOW系列壓裂橋塞。該型橋塞基于可膨脹管技術(shù)原理，主體采用金屬材料，結(jié)構(gòu)合理而緊湊，使用方便，可靠性高，并附有由受控電解金屬(CEM)納米結(jié)構(gòu)材料制成的可溶解IN-Tall壓裂球。施工時橋塞與電纜坐封工具相連，采用垂直井段靠自重下落，水平井段水力泵送的方式到達工作位置。施工后期無需鉆磨橋塞，效率較高，顯著降低了作業(yè)成本和作業(yè)風(fēng)險。可溶解IN-Tall壓裂球在壓裂作業(yè)時抗壓，投產(chǎn)時能在生產(chǎn)流體環(huán)境下溶解，從而獲得內(nèi)徑較大的油氣流動通道。另外，由于橋塞最終留在井內(nèi)無需鉆磨，所以坐封橋塞井深可大于連續(xù)油管傳輸磨銑工具的作業(yè)井深，進而可使作業(yè)公司延長壓裂段長度，增加油藏接觸面積，提高產(chǎn)量。

1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理

貝克休斯SHADOW系列壓裂橋塞結(jié)構(gòu)如圖1所示，規(guī)格和性能參數(shù)如表1所示。

最大外徑/mm最小內(nèi)徑/mm承壓/MPa耐溫/℃適用套管直徑/mm(in)111．2569．96938～177139．7(5)93．5050．86938～177114．3(4)89．7050．86938～177114．3(4)

下井時，電纜坐封工具中的通芯式應(yīng)力拉桿從橋塞上端插入橋塞內(nèi)腔，通過上剪釘和下剪釘實現(xiàn)與橋塞相連，坐封工具中推筒端面與橋塞上端面接觸。坐封時，推筒在火藥燃燒產(chǎn)生的推力作用下推動膨脹管下行，膨脹管沿膨脹錐爬坡下行時其下端的可膨脹環(huán)膨脹，同時施加下推力于膨脹錐；上剪釘被剪斷，膨脹錐下行推動整體式卡瓦致其分瓣破裂?？ㄍ咤^定套管的同時膠筒在可膨脹環(huán)作用下完全脹開與套管內(nèi)壁貼緊，密封油套環(huán)空；隨火藥推力增大，下剪釘被剪斷，實現(xiàn)坐封工具與橋塞的分離。

1.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2014年，貝克休斯技術(shù)人員在加拿大HornRiver盆地頁巖氣藏的7口井中開展了橋塞—射孔聯(lián)作分段壓裂技術(shù)的施工，進行了SHADOW橋塞和復(fù)合橋塞的現(xiàn)場對比試驗。其中2口井根據(jù)工況采用施工模式A(一口井使用SHADOW橋塞，一口井使用復(fù)合橋塞)。另外5口井根據(jù)工況采用施工模式B(一口井使用SHADOW橋塞，其余4口井使用復(fù)合橋塞)。兩種施工模式產(chǎn)量數(shù)據(jù)如圖2～3所示。

圖2 施工模式A產(chǎn)量數(shù)據(jù)

圖3 施工模式B產(chǎn)量數(shù)據(jù)

結(jié)果顯示：7口井中，采用SHADOW橋塞的2口井的產(chǎn)量與采用復(fù)合橋塞的5口井的產(chǎn)量相同，但由于SHADOW橋塞無需鉆除，每口井節(jié)省了大約2 d時間和＄15萬美元；施工過程中，SHADOW橋塞展現(xiàn)出良好的密封效果和錨定效果；納米結(jié)構(gòu)材料制成的可溶解壓裂球在不到1 d的時間里全部溶解，留下SHADOW橋塞在井底提供生產(chǎn)通道。

2 國內(nèi)研制與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)只有少數(shù)油田、鉆采公司和科研機構(gòu)研制出了免鉆型大通徑橋塞或研制情況取得重大進展，并且應(yīng)用規(guī)模較小，技術(shù)性能也有待提高。

2.1 長慶大通徑免鉆橋塞

2014年，長慶油田成功研制出大通徑免鉆橋塞，該型橋塞借鑒復(fù)合橋塞結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計了返排、生產(chǎn)通道，通過投擲可溶性壓裂球?qū)崿F(xiàn)橋塞的臨時性封堵。壓裂施工后可溶性壓裂球溶解，留橋塞在井底，建立井下流體通道；橋塞無需鉆磨，可直接放噴、排液、投產(chǎn)。

該型橋塞結(jié)構(gòu)如圖4所示，工作原理和普通復(fù)合橋塞相同，規(guī)格和性能參數(shù)如表2所示。

1—上接頭；2—卡瓦；3—卡瓦座；4—護腕；5—中膠筒；6—端膠筒；7—擋環(huán)；8—端環(huán)；9—下接頭。

總長/mm最大外徑/mm最小內(nèi)徑/mm承壓/MPa耐溫/℃適用套管/mm7261105070120121～124

同年，該型橋塞成功應(yīng)用于42口水平井，施工排量 8～15 m3/min，單井最多壓裂18段66簇，累計358段1 328簇，壓裂施工效率較常規(guī)復(fù)合橋塞壓裂工藝提高50%，平均單井產(chǎn)量是相鄰直井的6～8倍[6]。

2.2 中石化工程研究院大通徑橋塞的研制

2014年，中石化石油工程技術(shù)研究院承擔(dān)的“大通徑橋塞研制”項目取得重大進展。針對常規(guī)壓裂橋塞內(nèi)通徑較小、鉆銑耗時較長、鉆屑循環(huán)困難、作業(yè)成本較高等問題，該項目借鑒美國貝克休斯SHADOW系列壓裂橋塞，旨在研制出一種基于可膨脹管技術(shù)原理的免鉆型大通徑橋塞。

項目組完成了橋塞封隔單元投球及密封性能、膨脹套筒材料可鉆性能等試驗[7]。結(jié)果表明：封隔單元及低密度可降解球承壓能力可達70 MPa，坐封機構(gòu)的膨脹性能及可鉆性均滿足設(shè)計和使用要求。針對層層技術(shù)難關(guān)，項目組結(jié)合前期試驗結(jié)果，進行大量計算分析和性能試驗，完成了膨脹套筒材料的優(yōu)選及熱處理工藝研究。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)選及熱處理工藝研究，將橋塞內(nèi)徑由原來25 mm擴大到70 mm，成功研制出適用139.7 mm(5英寸)套管的大通徑壓裂橋塞，無須鉆除即可滿足投產(chǎn)、排采的要求。

2.3 山東杰瑞大通徑免鉆橋塞

2015年，杰瑞公司成功研制出免鉆型大通徑橋塞。該型橋塞結(jié)合復(fù)合橋塞結(jié)構(gòu)和工作原理，將現(xiàn)有技術(shù)中內(nèi)徑較小、管壁較厚的復(fù)合材料中心管改為內(nèi)徑較大、管壁較薄的金屬中心管。金屬中心管的硬度、強度較高，所以壁厚減小、內(nèi)徑增大也可以滿足強度要求。另外，由于金屬中心管結(jié)構(gòu)強度較好，坐封過程中不會因其管壁較薄和塑性特性等原因發(fā)生損壞，可以順利完成坐封，保證橋塞的正常使用。該型橋塞結(jié)構(gòu)如圖5所示，工作原理和普通復(fù)合橋塞基本相同。

1—上接頭；2—上剪釘；3—倒齒環(huán)；4—端環(huán)；5—副膠筒；6—主膠筒；7—中心管；8—護腕；9—錐體；10—錐體剪釘；11—卡瓦；12—引鞋頭；13—丟手剪釘；14—可溶球。

同年，杰瑞公司利用該型橋塞成功為中石化西南油氣分公司頁巖氣井提供“電纜泵送大通徑橋塞+可溶球”分段壓裂技術(shù)服務(wù)，順利完成16段水平井電纜泵送橋塞—射孔聯(lián)作施工。施工過程中，泵送橋塞壓力最高達72 MPa，井口施工壓力最高92 MPa，壓裂施工排量最高15 m3/min，施工難度較大。杰瑞公司完井團隊?wèi){借成熟的施工設(shè)計和技術(shù)能力，15 d時間即順利完成16段水平井的壓裂施工，一次性為甲方節(jié)省近百萬元的橋塞鉆磨費用。

2.4 中石油西南油氣田公司大通徑橋塞

2015年，中石油西南油氣田公司成功研制出大通徑橋塞。該型橋塞及配套工具是集團公司“頁巖氣鉆采工程現(xiàn)場試驗”和“油氣藏儲層改造技術(shù)重大現(xiàn)場攻關(guān)試驗”項目的重要研究內(nèi)容，用于配套頁巖氣水平井分段壓裂，結(jié)構(gòu)如圖6所示，工作原理和普通復(fù)合橋塞基本相同。該型大通徑橋塞采用單卡瓦錨定，結(jié)構(gòu)簡單可靠，外徑109.55 mm，內(nèi)徑76.2 mm，長度381 mm，承壓70 MPa，耐溫204 ℃，壓裂球尺寸82.55 mm[8]。

圖6 中石油西南油氣田公司大通徑橋塞

該型橋塞在四川內(nèi)江WH3-1頁巖氣水平井進行了現(xiàn)場應(yīng)用。壓裂完工后，未鉆磨橋塞即排液測試，截至試油完成，累積排液9 146 m3，占應(yīng)排量的22.45%。施工結(jié)果表明：該型大通徑橋塞可滿足不同排量泵送要求，坐封可靠，可溶性壓裂球壓裂作業(yè)時抗壓，并能確保入井后24 h內(nèi)的完全密封，后期在生產(chǎn)流體環(huán)境下自然分解。壓裂后橋塞無需鉆磨，直接放噴、投產(chǎn)，即可滿足排采要求[9]。表明自主研制的大通徑免鉆橋塞性能達到國外引進同類工具同等水平。另外，該型橋塞在長寧H12-2井和H12-3井被成功應(yīng)用。該型橋塞的現(xiàn)場成功應(yīng)用標志著西南油氣田公司頁巖氣改造工具國產(chǎn)化進程邁出重要一步，對掌握自主知識產(chǎn)權(quán)、降低頁巖氣開采成本、實現(xiàn)頁巖氣優(yōu)質(zhì)高效開發(fā)具有重要意義。

2.5 四川威爾敦大通徑免鉆橋塞

2015年，四川威爾敦公司成功研制出免鉆型大通徑橋塞，該型橋塞采用單卡瓦結(jié)構(gòu)，主體零件同樣采用金屬材料，壓裂后，可以及時排液，提供生產(chǎn)通道，節(jié)約施工成本，消除連續(xù)油管鉆磨作業(yè)風(fēng)險。結(jié)構(gòu)如圖7所示，規(guī)格和性能參數(shù)如表3所示。

1—上接頭；2—護腕；3—中膠筒；4—端膠筒；5—錐體；6—卡瓦；7—下接頭。

最大外徑/mm最小內(nèi)徑/mm承壓/MPa耐溫/℃適用套管/mm主體材料103．2069．8570120112～115．5鑄鐵109．5276．270120118．6～124．3鑄鐵

3 存在問題及發(fā)展展望

雖然2014年以來國內(nèi)外已經(jīng)有多家公司和科研單位成功研制出免鉆型大通徑橋塞并進行了現(xiàn)場應(yīng)用，但關(guān)于大通徑橋塞的研制與應(yīng)用仍然有很多問題需要關(guān)注和探索。

1) 目前研制出的大通徑橋塞還沒有形成系列化，大多是僅適用139.7 mm(5英寸)套管，尺寸規(guī)格、配套工具、耐溫、承壓能力等均沒有形成系列化。

2) 大通徑橋塞目前只是在個別井場被成功應(yīng)用，并沒有在多數(shù)井場得到大規(guī)模應(yīng)用，什么樣的井筒工況適合采用大通徑橋塞壓裂，并沒有參考標準，還需要隨著不斷應(yīng)用進行技術(shù)積累和總結(jié)。

3) 與鉆除橋塞保持光井筒投產(chǎn)的壓裂工藝相比，大通徑橋塞會節(jié)流油氣的流動。在多大的井筒流量下，大通徑橋塞對油氣流動無節(jié)流作用或節(jié)流作用較小，是本領(lǐng)域科研技術(shù)人員值得研究的一個課題。

目前，國內(nèi)外大通徑橋塞的結(jié)構(gòu)主要分為：無中心管的可膨脹套筒式和有中心管的普通橋塞式，主體結(jié)構(gòu)大多采用金屬材料。無中心管的可膨脹套筒式由于沒有中心管，并且采用可膨脹套筒結(jié)構(gòu)，坐封時工具內(nèi)通徑顯然較大，是大通徑橋塞的研究和發(fā)展方向。工具坐封時可膨脹套筒需要發(fā)生較大塑性變形，同時還要保證強度要求，其材料的選擇和結(jié)構(gòu)尺寸確定是工具研制過程中的最大挑戰(zhàn)。大通徑橋塞的顯著特點是內(nèi)通徑較大，研制過程中在追求工具較大內(nèi)通徑的同時，還要注意保證膠筒的密封性能和卡瓦的錨定效果。

4 結(jié)論

1) 免鉆型大通徑橋塞是一種新型的頁巖氣分段壓裂工具，具有內(nèi)通徑較大、無需鉆磨等優(yōu)點，避免了復(fù)雜的橋塞鉆磨工序以及所帶來的種種問題。該工具的成功研制與應(yīng)用為國內(nèi)外規(guī)模日益擴大的頁巖氣開發(fā)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

2) 加強大通徑橋塞結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，擴大應(yīng)用規(guī)模，不斷積累經(jīng)驗、分析對比，開發(fā)出適用不同井筒尺寸和不同井筒工況的系列化產(chǎn)品。

3) 利用數(shù)值模擬技術(shù)，分析不同井筒流量下，大通徑橋塞對油氣流動的節(jié)流影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用情況結(jié)合起來，對大通徑橋塞進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，進一步減小其對油氣的節(jié)流作用、提高密封性能和錨定效果。

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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

長江大學(xué)油氣鉆完井工具研究中心2015年度創(chuàng)新基金：稠油熱采雙管封隔器關(guān)鍵問題研究(DCT201501)

李鵬飛(1989-)，男，河南周口市人，碩士研究生，研究方向：石油井下工具的設(shè)計、研究、診斷及模擬仿真，E-mail：1804338069@qq.com。

1001-3482(2016)11-0093-05

TE934.203

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.020