對可溶壓裂橋塞設(shè)計的建議

胡英才， 王衛(wèi)明， 楊康敏， 范喜群， 張景輝， 胡 亮,馬 海

(1河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2中石化石油工程技術(shù)研究院 3河南油田分公司)

0 引言

水平井分段壓裂是美國頁巖氣成功的核心技術(shù)支撐之一。而泵送橋塞射孔聯(lián)作工藝則是實現(xiàn)水平井分段壓裂最常用的工藝之一。該工藝初期使用的核心工具是復(fù)合材料可鉆橋塞[1]，與常規(guī)鑄鐵類可鉆橋塞相比，橋塞鉆除時間從8～24 h縮短到了0.3～1 h，鉆屑密度從6.6～7.3 g/cm3降低到了1.2～1.6 g/cm3，具備了壓后鉆除求產(chǎn)快，可利用低密度液體循環(huán)鉆屑，對地層傷害小等優(yōu)點[1]。但隨著現(xiàn)場應(yīng)用的增多，發(fā)現(xiàn)了該工藝存在的兩大問題：

(1)當(dāng)水平井單井橋塞數(shù)量超過13～15只以上時，由于鉆頭磨損，水平井段鉆屑?xì)埩暨^多等原因，通常一趟鉆難以將所有復(fù)合橋塞鉆完，需要進(jìn)行起下鉆作業(yè)。而在起下鉆過程中，水平井段鉆屑可能出現(xiàn)堆積，導(dǎo)致后續(xù)鉆塞管柱下入遇阻而無法順利將剩余橋塞鉆除。

(2)由于地層應(yīng)力分布的復(fù)雜性，加之需經(jīng)歷多簇多段的射孔和高壓力、大規(guī)模的壓裂施工，常有水平井在壓裂中或壓裂后出現(xiàn)套管變形，無法完成壓后鉆塞求產(chǎn)。

因此，國內(nèi)外對該工藝展開了進(jìn)一步研究，其核心工具逐步由原來的復(fù)合材料可鉆橋塞升級為了可溶材料免鉆壓裂橋塞。

1 兩種可溶壓裂橋塞簡介

1.1 組成及原理

現(xiàn)在對兩種常見可溶橋塞的組成和原理來進(jìn)行分析[2]。

A類全可溶橋塞主要由上接頭、中心管、密封件、錐體、整體卡瓦、導(dǎo)向頭等組成(見圖1)。采用單錐體、單卡瓦的設(shè)計思路，所有零件均可溶。

圖1 A類全可溶橋塞結(jié)構(gòu)示意圖

B類可溶橋塞主要由中心管、坐封壓環(huán)、密封件、錐體、分瓣卡瓦及箍環(huán)、導(dǎo)向頭等組成(見圖2)。采用雙錐體、雙卡瓦的設(shè)計思路。該橋塞分瓣卡瓦上的卡瓦牙為硬質(zhì)合金或陶瓷材料，不可溶，其它零件均可溶。

圖2 B類可溶壓裂橋塞結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理：可溶橋塞隨電纜坐封工具下入井中，靠泵送達(dá)到設(shè)計深度，通過地面電點火引燃電纜坐封工具中的火藥，提供能量實現(xiàn)壓裂橋塞的坐封和丟手。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

采用可溶壓裂橋塞后，泵送橋塞射孔聯(lián)作工藝在以前一趟管柱可以完成橋塞下入、坐封、丟手和多級射孔、分段級數(shù)不受限制等基礎(chǔ)上，又增加了無需鉆塞這一優(yōu)點。無需鉆塞作業(yè)節(jié)省了橋塞鉆磨帶來的時間和成本；避免了套管變形后無法進(jìn)行鉆塞投產(chǎn)的風(fēng)險；不必考慮連續(xù)油管下深能力限制，因而產(chǎn)層可鉆更長的水平段；使連續(xù)油管設(shè)備難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)油氣田的開發(fā)成為可能。

1.3 關(guān)鍵產(chǎn)品參數(shù)

兩種可溶橋塞的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 兩種可溶橋塞關(guān)鍵產(chǎn)品參數(shù)

2 可溶橋塞設(shè)計原則分析

可溶橋塞類工具的設(shè)計原則滿足“下得去”、“坐得住”、“丟得開”和“溶得掉”四大關(guān)鍵點。

2.1 從“下得去”角度分析可溶橋塞壓裂的設(shè)計

(1)最大外徑要和套管內(nèi)徑匹配，從表1可以看出，為了能夠保證其順利入井，最大外徑設(shè)計為111.0～111.1 mm，保證了在最小內(nèi)徑118.6 mm的套管內(nèi)仍能順利下入。

(2)為保證在水平井中可靠下入，其密封件、錐體和卡瓦這三個零件的最大外徑通常要設(shè)計得比橋塞的最大外徑小1～2 mm，避免其因與套管的摩擦力而提前運動，出現(xiàn)誤坐封。

(3)為避免可溶壓裂橋塞在未下入到設(shè)計深度時誤坐封，還需保證坐封工具的推筒不會因井下某些誘發(fā)因素而提前運動。通常，需在坐封工具的推筒上設(shè)計防誤坐封銷釘。

(4)可溶壓裂橋塞在入井過程中，導(dǎo)向頭還可能突然遇到意外的阻力，如撞擊液面、遇到水平砂堤等。為此，在設(shè)計時一方面要避免將導(dǎo)向頭的受力直接傳遞給卡瓦；另一方面，卡瓦不能過于容易張開，降低對這種干擾力的敏感性。

2.2 從“坐得住”角度分析可溶橋塞壓裂的設(shè)計

(1)要保障橋塞“坐得住”，除了密封材料的性能外，還必須要將膠筒的壓縮距保持好，避免膠筒回彈。因此，需要卡瓦牙足夠硬，能夠錨定在施工井的套管上(例：非常規(guī)水平井常用的P110鋼級套管硬度在HRC40以上)。

(2)要求卡瓦的設(shè)計必須能同時約束橋塞膠筒向兩端的回彈[3- 4]。

為此，A類全可溶橋塞設(shè)計了如圖3所示的整體卡瓦，采用鎳基合金涂層技術(shù)(0.25～0.38 mm粒徑)，卡瓦表面的高硬度合金，保證了卡瓦在套管上的錨定能力。但由于其只在膠筒的一端設(shè)計了卡瓦，錐體外表面的前端和整體卡瓦內(nèi)表面的根端之間，還需設(shè)計自鎖機(jī)構(gòu)配合卡瓦約束橋塞膠筒兩端的回彈。

圖3 A類全可溶橋塞的整體卡瓦

B類可溶橋塞的卡瓦，采用高硬度的陶瓷或硬質(zhì)合金錨牙實現(xiàn)對套管的錨定。對稱設(shè)置的兩個卡瓦約束了橋塞膠筒兩端的回彈，因此不必再設(shè)計自鎖機(jī)構(gòu)。

2.3 從“丟得開”角度分析可溶橋塞壓裂的設(shè)計

為保證可溶壓裂橋塞在井下“丟得開”，必須充分考慮兩點[5]：

(1)坐封工具與可溶壓裂橋塞必須有兩個接觸點，才能形成一推、一拉的成對作用力，保證橋塞坐封[4]。

(2)在下井過程中，坐封工具還必須保證與橋塞的可靠連接，防止橋塞中途掉井。

為此，A類全可溶橋塞設(shè)計了如圖4中的“2坐封工具推筒”對橋塞輸出坐封推力，“10坐封工具棘爪”輸出拉力。在橋塞下井過程中，由于“10坐封工具棘爪”內(nèi)部有“7坐封工具支撐芯軸”的支撐作用，保證了坐封工具和橋塞的可靠連接。但當(dāng)橋塞卡瓦錨定在套管上后，隨著坐封力的繼續(xù)輸出，“7坐封工具支撐芯軸”將向后運動(遠(yuǎn)離橋塞)，失去對“10坐封工具棘爪”的支撐，使其從橋塞導(dǎo)向頭的凹槽中釋放出來，隨著“7坐封工具支撐芯軸”一起向后運動，自此橋塞與坐封工具脫開，實現(xiàn)丟手。

圖4 A類全可溶橋塞與坐封機(jī)構(gòu)組裝示意圖

B類可溶橋塞設(shè)計了如圖5中的“2坐封工具推筒”對橋塞輸出坐封推力，“3坐封工具轉(zhuǎn)換接頭”輸出拉力。在橋塞下井過程中，靠“3坐封工具轉(zhuǎn)換接頭”通過“5剪切銷釘”實現(xiàn)與“4橋塞上接頭”可靠連接。當(dāng)橋塞卡瓦錨定在套管上后，隨著坐封力的繼續(xù)輸出，“3坐封工具轉(zhuǎn)換接頭”將剪斷“5剪切銷釘”，向后運動(遠(yuǎn)離橋塞)，自此橋塞與坐封工具脫開，實現(xiàn)丟手。

圖5 B類可溶橋塞與坐封機(jī)構(gòu)組裝示意圖

2.4 從“溶得掉”角度分析可溶橋塞壓裂的設(shè)計

可溶壓裂橋塞為滿足“溶得掉”要求，在設(shè)計時必須充分考慮兩點[6- 7]：

(1)橋塞的主體材料在壓裂施工后，需能夠溶解，從而實現(xiàn)不用下鉆塞管柱就可快速求產(chǎn)。

(2)橋塞的溶解時間必須可控，從而保證在橋塞下入和施工過程中，橋塞不會溶解甚至是橋塞的強(qiáng)度不會下降到工作指標(biāo)以下。

為此，可溶橋塞金屬件的一種解決方案是采用鋁鎂基的合金材料，壓裂時強(qiáng)度穩(wěn)定，暴露在含有氯離子的返排液中開始溶解。從圖6可以看出，在某井的返排液中，在100～105 ℃的溫度環(huán)境下，經(jīng)過9 d后，采用J- 105金屬材料A類可溶橋塞基本完全溶解。

關(guān)于橋塞溶解時間的控制，一種解決方案是通過調(diào)節(jié)包覆材料來控制溶解時間;一種方案是直接調(diào)整鋁鎂合金中各元素的配方來控制溶解時間。

可溶橋塞一般采取可降解的聚氨酯材料作為密封件，靠調(diào)整材料配方來控制其溶解時間。

可溶橋塞的卡瓦牙，基本上都選用非可溶材料，但可通過采用鎳基合金涂層技術(shù)在可溶材料表面形成高硬涂層，或用陶瓷或硬質(zhì)合金制成錨柱鑲嵌在卡瓦主體上，減少非可溶材料的用量。

圖6 A類可溶壓裂橋塞用J- 105材料在某井返排液中的溶解曲線(100～105 ℃)

3 與其他類橋塞設(shè)計差別與特點

目前在石油行業(yè)，根據(jù)工藝需求的不同，橋塞類工具從用途上大致分為堵水用橋塞、暫堵或永久性封堵用橋塞、化學(xué)劑擠注用橋塞和壓裂用橋塞。從解封方式上可分為永久留井不需解封型、打撈解封型、鉆磨解封型和可溶解封型。從橋塞使用材料上可分為普通金屬類橋塞、可鉆金屬類橋塞、非金屬復(fù)合材料類橋塞和可溶材料類橋塞?？扇軜蛉捎谄涔に嚹康摹⒔夥庠砑笆褂貌馁|(zhì)的不同，與其他類型橋塞相比，在設(shè)計上也具有明顯的差別與特點[8- 15]。

(1)可溶橋塞因可自動溶解實現(xiàn)解封，無需設(shè)計解封機(jī)構(gòu)。

(2)為節(jié)省可溶材料，可溶橋塞坐封和丟手機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在坐封工具上，坐封工具可重復(fù)使用。

(3)可溶橋塞若采用雙向卡瓦，可不設(shè)計自鎖機(jī)構(gòu)，若采用單向卡瓦，必須設(shè)計自鎖機(jī)構(gòu)。

(4)可溶橋塞卡瓦本體常采用可溶材料，錨牙、錨柱或齒面常采用高強(qiáng)度材料，保證錨定強(qiáng)度。

(5)可溶橋塞膠筒須選用可溶耐溫耐油材料。

4 結(jié)論

(1)用可溶材料制成壓裂橋塞，實現(xiàn)了壓后不用鉆塞，但必須采取材料元素設(shè)計或表面包覆層設(shè)計來控制溶解時間。

(2)可溶橋塞設(shè)計了獨立的坐封工具，簡化了橋塞本體結(jié)構(gòu)，縮短了本體的長度，減少了昂貴的可溶金屬的用量，還可實現(xiàn)坐封工具的反復(fù)使用，降低了成本。

(3)可溶橋塞的卡瓦在坐封和壓裂過程中要“錨的住”，在壓裂后又要“好移除”，為此將起錨定作用的錨柱或卡瓦表面設(shè)計為高硬材料，將卡瓦本體設(shè)計為可溶材料，最大程度減少了非可溶材料的用量及留井碎屑的尺寸和數(shù)量。

(4)通過對兩種常見的可溶橋塞結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路的分析，以及與其他類橋塞的對比，指明了一些設(shè)計的關(guān)鍵點和原則問題，為橋塞類井下工具的設(shè)計提供了思路，具有一定參考價值。