114.3 mm套管水平井试气用桥塞室内试验研究

胡相君，李旭梅，王效明，王在强，白小佩，刘 明

（1.长庆油田 油气工艺研究院，西安710021；2.低渗透油气田勘探开发国家工程试验室，西安710021） ①

目前，水平井已作为常规技术被应用于几乎所有类型的油藏［1］。长庆气田114.3 mm套管的水平井逐渐增多，水平井试气工艺迫切需要优化和提高。水平井泵入式桥塞射孔联作工艺是油气田水平井完井的一种较先进工艺，具有施工安全快捷、占井时间短、连续油管可一次钻除多个桥塞、整体试气周期短、效率高等优点。所以，研发适合长庆气田114.3 mm套管泵入桥塞射孔联作工艺用桥塞有着重要的意义。

传统桥塞是用金属和橡胶材料制成的。但金属材料不易钻磨，耐腐蚀性也差，特别在斜井、水平井的作业中，钻磨桥塞易发生卡钻，处理起来较复杂［2］。国外技术人员近年来发展了利用复合材料制造桥塞的技术。复合材料与金属材料相比，具有耐腐蚀、强度高、质量轻、易钻铣等优点，弥补了金属材料不易钻磨的不足。目前，国内复合材料桥塞还处于初始研制阶段。

1 桥塞发展现状

1.1 桥塞分类

桥塞分段压裂改造目的性强、可控性强、施工可靠。桥塞分段压裂工艺中所采用的桥塞，根据下入方式可分为油管和电缆下入式桥塞，国外斯伦贝谢公司最近针对水平井，提出了水力泵送下入式桥塞技术；根据坐封方式可分为液压坐封、电缆坐封、机械坐封和液压机械坐封等，目前我国各油田广泛使用液压坐封桥塞和电缆坐封桥塞；根据解封方式和用途不同可分为可取式和可钻式桥塞。

1） 可取式桥塞 可取式桥塞结构原理大同小异，一般采用双锥体、双向卡瓦卡紧，三胶筒密封，液压坐封，只是解封方式有所不同，承压较低，双向压差15～35 MPa，有的单向压差达到60 MPa。

2） 可钻式桥塞 由于可取式桥塞后期打捞成功率难以保证，且无法满足长效封隔的要求，使可取式桥塞在国内油田的应用范围受到限制，而可钻式桥塞可以永久封隔，封隔效果好［3］。

1.2 可钻式桥塞发展现状

国外20世纪80年代末以前桥塞使用的可钻材料基本上是金属材料，可采用普通钻头或铣刀进行钻铣。但这类桥塞一般用在较高温度和压力条件下的井。

进入20世纪90年代后，特别是近年来，国外发展了利用非金属材料制造可钻桥塞的技术。非金属材料与金属材料相比，具有耐腐蚀、强度高、质量轻、易钻铣等优点，而且还可使用聚晶金刚石复合片（PDC）钻头钻铣。

目前，国内四川、大庆、长庆等油田相继开展了复合桥塞的研究，但总体处于研究起步阶段。国内生产的可钻式桥塞主要是自1986年引进的美国各公司的产品并进行了国产化改造。产品有辽宁阜新驰宇的可钻式桥塞及中美合资四机赛瓦石油钻采设备有限公司生产的WBM型桥塞，密封胶筒多为耐油丁腈橡胶，耐温较低，一般只有100～125℃，密封压差35～70 MPa；WBM型桥塞质量较好，一些关键零部件从Map公司进口，耐温可到170℃。

2 水平井用桥塞结构设计

2.1 结构组成

114.3 mm水力泵入式桥塞主体上采用三胶筒＋胶筒座＋支撑套＋双卡瓦组合密封设计。图1为桥塞的整体结构。

图1 桥塞整体结构

1） 锚定机构 由上下卡瓦、支撑套等组成。坐封工具推动卡瓦座、支撑套、胶筒座向下运动，随着压力进一步增大，在支撑套和卡瓦的锥面作用下，依靠锚定在套管上的锚牙限制卡瓦的纵向移动。

2） 密封机构 由硬度不同的橡胶胶筒和胶筒座组成。胶筒在坐封力作用下，径向膨胀紧贴套管壁。胶筒座是在压缩时胀开紧贴套管壁，有效阻止胶筒压缩时“肩部突出”撕裂。

3） 丢手机构 通过中心轴上的螺纹和坐封工具相连，在丢手力的作用下完成坐封并拉断中心轴截面，使坐封工具和桥塞脱开。

4） 钻磨防转机构 由上接头和下接头组成。

2.2 工作原理

利用电缆或管柱将桥塞输送到井筒预定位置，通过火药爆破、液压坐封等工具产生的压力作用于上卡瓦，拉力作用于张力棒，当拉力达到一定值时，张力棒断裂，坐封工具与桥塞脱离。桥塞中心管上的锁紧装置发挥效能，上下卡瓦破碎并镶嵌在套管内壁上，胶筒膨胀并密封，完成坐封。

2.3 技术参数

研制的桥塞主要技术参数如表1。

表1 114.3 mm套管水平井试气用桥塞主要技术参数

3 材料选择

根据桥塞的结构及桥塞各部件坐封载荷下的应力分析，明确了桥塞各部件的作用及材料的强度设计要求，为桥塞各部件材料的选择提供了技术依据。

1） 卡瓦材料的选择 卡瓦在坐封后需要锚定在套管上，需要一定的硬度要求及易钻性，故卡瓦材料选用球墨铸铁。

2） 中心轴材料的选择 中心轴需要和坐封工具进行螺纹连接，需要材料具有优良的加工性，优选为2A12铝合金。

3） 胶筒材料的优选 桥塞的胶筒不仅要具有高的承压性能，而且还要耐高温、耐油及耐酸碱等特性，因此选用丁腈胶。

4） 胶筒座材料的优选 桥塞的胶筒座采用耐高温、抗酸碱同时具有优良塑性、延展性的聚乙烯材料。

5） 上下接头、支撑套及卡瓦座材料的优选上下接头、支撑套及卡瓦座三者占桥塞材料用量比重较大，选用质量轻、易钻铣的复合材料。

4 室内试验

通过室内试验，验证桥塞性能是否满足设计要求，为完善水力泵入式桥塞技术提供依据，为桥塞投入现场试验提供技术支持。此次试验内容主要有3个方面：

1） 找出卡瓦破开断面面积与破开力间的关系。

2） 验证坐封工具、火药柱与桥塞的匹配性。3） 桥塞双向承压性能和可钻性能。

4.1 复合桥塞卡瓦张开力试验

将卡瓦和按桥塞支撑套结构设计的锥形套管相连，在WE－30型万能材料试验机进行卡瓦破开的压力测试。

通过大量的破开试验，绘制了卡瓦破开断面面积S与破开力F的关系曲线，如图2。根据桥塞卡

图2 断口面积与破开力曲线

瓦的断面面积，由曲线得卡瓦的破开力为50 k N。

为卡瓦破开结构参数的设计提供了技术依据。

4.2 桥塞双向密封性能试验

模拟井下桥塞分段压裂井况，采用火药坐封的方式，使用坐封工具坐封桥塞于114.3 mm套管内；坐封成功后，通过地面液压设备对桥塞正、反向实施常温（25℃）加液压70 MPa。其后采用套管外壁加热的方式，加热套管内环境温度至120℃，对桥塞正、反向实施高温（120℃）加液压70 MPa。

4.2.1 桥塞坐封试验

对3套研发的桥塞进行了火药坐封试验，表2为15 t火药坐封试验数据。

表2 桥塞坐封数据

试验结果表明，15 t火药与桥塞、坐封工具匹配良好，桥塞坐封、丢手正常。

4.2.2 桥塞常温双向承压试验结果

将已坐封好的桥塞在常温条件下（25℃），正向（自复合桥塞顶端）缓慢加液压，并记录试验数据，如图3。

图3 1＃复合桥塞常温正向一次液压曲线

常温条件下桥塞70 MPa下双向承压试验结果表明，研制的桥塞满足常温下双向70 MPa承压密封性能的要求。

4.2.3 桥塞高温（120℃）双向承压试验结果

采用如图4所示的试验装置对研制的桥塞坐封进行高温（120℃）双向承压试验，并记录试验数据，如图5。

高温条件下桥塞70 MPa下双向承压试验结果表明，研制的桥塞满足高温下双向70 MPa承压密封性能的要求。

图4 桥塞高温双向承压试验装置

图5 桥塞高温正向承压曲线

通过自主研发的桥塞功能性试验，可以看出自主研发的桥塞坐封稳定，在常温和120℃高温下能满足70 MPa液压的密封性能要求。

4.3 桥塞钻磨性能试验

通过给定的转速、钻压、扭矩等参数对桥塞进行钻磨，与国外进口桥塞钻磨时间对比，得到自主研发桥塞的钻磨特性，采用的钻磨工具如图6所示，钻磨试验装置如图7所示。

图6 ClearCut Mp Mill磨鞋

图7 桥塞钻磨试验装置

将套管装卡在图7所示钻机平台工装上。材料的钻磨速度随着转速、钻压的提高而增大，所以选择试验参数：钻速320 r/min，钻压4.5～6.5 k N，转矩200～600 N·m。按表3参数对2种桥塞进行钻磨试验。钻屑如图8～9。

表3 自主研发桥塞和进口桥塞的钻磨性能对比

图8 自主研发桥塞的钻屑

图9 进口桥塞的钻屑

通过自主研发的桥塞与引进的桥塞对比钻磨试验，可以得到，自主研发桥塞的钻磨性能与引进桥塞的钻磨性能相当。

3） 该桥塞可提高气田水平井的试气效果，具有良好的市场前景。

5 结论

1） 自主研发的114.3 mm水力泵入式桥塞可满足常温及高温120℃下，双向70 MPa液压密封性能的要求。

2） 研制的桥塞钻磨时间为26.2 min，其钻磨性能与引进桥塞的钻磨性能相当。

［1］ 郝增贤，肖中海，李民乐，等.水平井桥塞分层试油工艺技术［J］.石油矿场机械，2009，38（1）：91－92.

［2］ 徐克彬，张连朋，吉鸿波，等.高压复合材料桥塞应用实践［J］.油气井测试，2009，18（3）：63－66.

［3］ 梁红梅，娄文祥，蒋海涛，等.可钻式桥塞磨铣打捞工具的研制 及应用 ［J］.石 油钻采工艺，2008，30（4）：111－113.