压裂用可溶桥塞关键技术分析

朱正喜

(中国石油长城钻探工程有限公司 压裂公司，辽宁 盘锦 124010)

页岩气勘探开发的关键技术、装备的创新与突破，已成为国内石油公司实现页岩气经济有效开发的关键任务[1-3]。桥塞工具作为页岩气分段压裂改造的主体工具，在北美超过85%的页岩气井中使用，而国内页岩气井则全部采用桥塞工具进行压裂施工。

相比较速钻桥塞、大通径桥塞，可溶桥塞在压后一定时间内，桥塞本体和胶筒等自行溶解，实现全通径管柱生产，具有综合成本低、投产时间短、降低作业风险以及可实现二次改造的优点[4-6]。2016—2017年，国内各大页岩气区块从局部井段试验应用可溶桥塞、扩展到全井段应用。从现场应用来看，国内应用可溶桥塞基本依赖进口，成本高昂，且未达到完全可溶。开展国产可溶桥塞工具的研制，有利于降低国内页岩气储层改造成本，提高改造效果。

对可溶桥塞工具的总体要求是“下到位、丢得开、密封严、全溶解”，即，要求可溶桥塞满足常规压裂施工，且施工结束后一段时间内，桥塞能在井液中自行溶解和返排，无需人工干预而获得全通径井眼，利于进行生产。

1 国内外可溶桥塞性能对比

1) 贝克休斯公司。SPECTRE可溶桥塞的本体由高强度的电解纳米金属材料(CEM)制成，胶筒材质为聚氨酯，单卡瓦结构，卡瓦表面镍基合金涂层，溶解速率与矿化度和温度相关，胶筒和卡瓦涂层溶解后呈细小碎片，可返排出井筒(如图1)。在北美油田使用超过500只，在中国吉林油田、四川页岩气等区块应用超过100只。

图1 贝克休斯公司SPECTRE可溶桥塞

2) 哈里伯顿公司。ILLUSION可溶性桥塞的卡瓦镶嵌陶瓷粒，如图2所示。经室内试验测试，在井温95 ℃、KCL质量分数为3%时，桥塞溶解时间为17 d。该桥塞在Eagle Ford, Bakken,和Woodford区块成功应用，在中国吐哈油田、四川页岩气田等也有应用。

图2 哈里伯顿公司ILLUSION可溶桥塞

3) MAGNUM公司。第三代MVP可溶桥塞如图3所示，单胶筒无背环，整体卡瓦镶嵌卡瓦牙颗粒，热塑性高分子生物降解材料，溶解率98%。胶筒在溶解后经液体冲击呈碎粒状，易返排，在浙江页岩气区块大量应用。

图3 Magnum公司MVP可溶桥塞

4) 斯伦贝谢公司。INFINITY可溶球座如图4所示，外径111.5 mm，无橡胶件，需要预制接球座套管短节，溶解率99.7%。在美国多个非常规油气藏进行了应用，使用数量超过250只。

图4 斯伦贝谢公司INFINITY可溶球座

5) 中石油勘探院。从2015年立项研发，三胶筒带整体背环结构，分瓣卡瓦镶嵌预制破片，可在一定的温度和压力下崩解成碎片，易于返排。针对四川页岩气田，形成了ø85、ø95 mm两种规格的可溶桥塞，如图5所示。在国内各个页岩气区块都有应用。

图5 中石油勘探院可溶球座

国内外可溶桥塞的技术参数及现场施工情况如表1所示。

根据表1数据，中石油勘探院研制的可溶桥塞的外径最小，下入性能优于国外的桥塞。通过现场试验，国内外的可溶桥塞均未能满足全可溶的要求，需要连续油管带磨鞋通井。

2 关键技术分析

2.1 工作时效

无论是基于镁基、铝基可溶金属，还是高分子热塑材料的可溶桥塞，都可以通过调整配方来达到调节溶解速率的目的。早期的研究中，关注较多的是能否达到溶解的要求，认为溶解的越快越好。随着研究的深入，发现可溶桥塞的使用有诸多限制，例如桥塞入井后就必需压裂施工，若在井中停留一夜，可能造成桥塞溶解过多而降低桥塞压裂时承压性能。若使用慢溶的材料，达不到油田甲方要求压后快速投产的需求，通常需要连续油管钻磨桥塞，增加费用和风险。

表1 国内外可溶桥塞参数对比

因此，若采取速溶材料，桥塞入井至压裂的时间间隔就较短，总体溶解时间也较短。相反，若采取慢溶材料，桥塞入井至压裂的时间间隔就可以很长，随之总体溶解时间越长。为使桥塞入井至压裂的时间间隔满足下桥塞及压裂施工需求，且总体溶解时间达到油田甲方的要求，提出了可溶桥塞的“工作时效”这一概念。工作时效为桥塞入井至压裂的时间间隔，按照现有的页岩气施工模式，可溶桥塞的工作时效为24 h，可以满足页岩气井现场施工的需要，即，从可溶桥塞入井时开始计算，24 h内都可以进行压裂施工。任何针对可溶桥塞的性能测试均可参照24 h的工作时效进行。

2.2 卡瓦表面处理

针对四川页岩气井，耐压差70 MPa的可溶桥塞的卡瓦需具有740 kN的锚定力。由于可溶材料的强度远低于石油管材，且熔点低，无法通过热处理来提高表面硬度，因此，通常采用在可溶材料表面复合一层硬质颗粒来提高表面硬度。

依照施工现场对桥塞全可溶的要求，需要复合的硬质颗粒达到随液体全部返排出来的性能，即，密度低，颗粒小。目前，贝克休斯的镍基合金涂层卡瓦(如图6a)，厚度0.25 ～ 0.38 mm。镍基合金在返排液环境中逐渐降解剥落，形成6～25 mm的条状碎片(如图6b)，随返排返回地面，不影响返排和生产。中石油勘探院的预制破片卡瓦(如图7a)，确保桥塞承压可靠、压后自行破碎成几毫米碎片(如图7b)。

a 卡瓦实物

b 溶解后的卡瓦碎片

2.3 卡瓦破碎力

在下桥塞施工中，桥塞主要承受射孔枪串的重力，以及下入时枪串摆动而撞击井壁的横向冲击力[7-10]。在一些极限状态下，例如枪串遇卡等，桥塞上面的部件需承受较大的轴向力，确保枪串拉断时桥塞也不被破坏。

a 卡瓦实物

b 溶解后的卡瓦碎片

因此，需设计一些抗冲击的安全结构，保障桥塞下入安全。卡瓦是桥塞结构中最容易受破坏的部件，结构型式有带预应力槽的整体卡瓦、或带箍环的分瓣式卡瓦，既要满足桥塞坐封时卡瓦比较容易张开，又要保证在下桥塞时遇异常情况下卡瓦不要张开。

合理设置卡瓦的张开力，其安全的下限值是电缆的拉断力值，推荐25 kN。

2.4 可溶胶筒

可溶胶筒需要在压裂时密封井筒，以及压后一段时间内溶解并返排出井筒。现有的可溶胶筒材料按照溶解原理可分为水溶橡胶和降解式橡胶，溶解与温度相关。从溶解物来看，水溶胶筒的溶解物呈泥状、无强度(如图8)，而降解式胶筒的溶解物为胶筒碎片(如图9)。因此，前者的溶解性能要优于后者，但是后者的强度要优于前者。

图9 降解式胶筒施工后残留物

在胶筒配方调整中，需要重点考虑胶筒的工作时效，避免桥塞失封。室内试验时，常测取胶筒试样浸泡前后的拉断强度，并对比分析判断该胶筒配方是否符合要求。有厂家在胶筒表面设计了特殊的防水涂层，例如贝克休斯和中石油勘探院等。另外，虽然通过添加一些纤维等增强胶筒强度，但是浸泡后胶筒的挤出效应还是很明显，需要设计合理的背环。

2.5 下接头结构设计

早期在可溶桥塞的设计中考虑了钻磨结构，例如上下接头的斜面，卡瓦与锥体的互卡机构等。随着可溶桥塞的应用增多，熟悉了各项性能，针对异常情况处理也有了很多手段，钻磨结构就成为了非必需。

此外，由于可溶材料的强度较低，本体容易磨损，带来卡瓦等直接受力的风险。特别是在一些高温高矿化度井中，溶解速度过快。因此，有针对性做一些下接头的防磨处理，常见c后者加装可溶性胶环等。

图10 下接头钻磨斜面

图11 下接头过流通道

下接头结构设计中，为便于井液流通和离子交换，还需要考虑过流通道结构，防止上层的压裂球堵塞返排通道。

3 结论

1) 可溶桥塞是近年来兴起的一种分段压裂工具。从现场应用来看，国内应用可溶桥塞基本依赖进口，成本高昂，且未达到完全可溶。开展国产可溶桥塞的研制，有利于降低国内页岩气储层改造成本，提高技术的适用性，满足国内页岩气井施工需要。

2) 针对可溶桥塞的溶解性和下入后多长时间内可保障压裂施工的矛盾问题，提出了 “工作时效”这一概念，指桥塞入井至压裂的时间间隔。按照现有的页岩气施工模式，认为可溶桥塞的工作时效为24 h，可以满足页岩气井现场施工的需要，即，从可溶桥塞入井时开始计算，24 h内都可以进行压裂施工。

3) 可溶卡瓦是可溶桥塞中的关键组件，在卡瓦表面复合一层硬质颗粒，可提高卡瓦表面硬度。为达到卡瓦全可溶的要求，需要硬质颗粒密度低、颗粒小，代表的有贝克休斯的镍基合金涂层卡瓦和中石油勘探院的预制破片卡瓦。

4) 合理设计卡瓦破碎力是保障桥塞安全下入的关键因素，推荐值25 kN。

5) 可溶胶筒的技术关键在于胶筒的工作时效，需要测取胶筒试样在浸泡前后的拉断强度。胶筒密封组件设计需要考虑挤压破坏。

6) 下接头结构设计中需重点考虑返排的过流通道及耐磨性能。