可溶性桥塞地面试验研究

何佳 陈威伟 石志强 张永亮 李军

摘要：可溶性桥塞是一种新型的井筒临时封隔类工具，集常规速钻复合桥塞和大通径桥塞优点于一体，在坐封完毕进行压裂后，可溶性桥塞在井筒内液体侵泡及相对应的温度条件下即可自行溶解，实现全通径投产，为后期油气开采节省钻磨桥塞作业时间及成本，提高生产效率。本文对可溶性桥塞所在井下环境进行地面仿真模拟，并从溶解性能和承压能力两个方面对可溶桥塞的性能做详细研究和阐述。可溶桥塞作业能够解决油田的钻塞难题，为油田减少一个作业工序，降低开发过程的工程复杂，缩短建井周期，对油田规模效益开发具有重要意义。

关键词：可溶性桥塞;溶解性;承压能力;温度

0 引言

桥塞发明于二十世纪八十年代，相比于以往的打水泥塞封层工艺，桥塞坐封工艺施工具有工序少、周期短、卡封位置准确等优势，所以一经问世就在油气井封层方面得到了广泛应用，基本上取代了原有工艺，成为试油井封堵已试层，进行上返试油的主要封层工艺。

随着石油行业的飞速发展，桥射联作施工作业逐年增多，桥塞下入过程中一旦遇阻，电缆张力控制不当桥塞工具就会提前将桥塞坐封，极大影响工期及成本，并且由于井深导致速钻桥塞的钻磨更加困难。而大通径桥塞又局限了套管内径，影响了后期更多生产作业要求。因此诞生了一种新型桥塞———可溶性桥塞。

可溶性桥塞是一种新型的井筒临时封隔类工具，集常规速钻复合桥塞和大通径桥塞优点于一体，在坐封完毕进行压裂后，可溶性桥塞在井筒内液体侵泡及相对应的温度条件下即可自行溶解，实现全通径投产，为后期油气开采节省钻磨桥塞作业时间及成本，提高生产效率。

可溶性桥塞在井筒内溶解速率主要受温度，压力及井筒溶液矿化度影响，本文针对这几点进行详细研究，做以下阐述。

1 可溶性桥塞概述

1.2可溶桥塞原理

可溶桥塞利用电缆或管柱将其输送到井筒预定位置，通过火药爆破、液压坐封或者机械坐封工具产生的压力作用于上卡瓦，拉力作用于张力棒，通过上下锥体对密封胶筒施以上压下拉两个力，当拉力达到一定值时，张力棒断裂，坐封工具与桥塞脱离。此时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。

1.3可溶性桥塞国内外研究现状

2014年，贝克休斯公司发布商用SHADOW系列压裂桥塞。它的特点为永久式、大通径、可过流，无需连续油管作业，比传统复合桥塞的更高效，可降低作业成本和HSE风险。2015年，哈里伯顿生产了可完全溶解Illusion系列压裂桥塞，它可坐封在井筒中的任意位置，优化射孔的位置，提高压裂效果。避免钻掉桥塞从而缩减建立生产的时间，在降低风险的同时又能快速建立生产，提高资产的净现值。

目前随着可溶材料及产品的研发、推广应用，国外可溶桥塞产品在国内市场逐步趋于退出状态。国内可溶桥塞2014来以来逐步开始大面積推广应用，而随着可溶桥塞的特定及优点逐步扩大应用范围，目前，国内公司已研制出整体式全可溶复合材料压裂桥塞，全可溶压裂桥塞的主体结构使用全可溶金属复合材料制成，可在一定浓度的氯离子溶液中自行溶解，并且氯离子浓度越高，合金溶解速度越快。

1.2 可溶桥塞优越性

1）其中的可溶球在没有溶解之前不影响桥塞边部的流通;

2）可防止外界污物等进入到桥塞内部;

3）桥塞在连接时的安装定位更加精准;

4）提高了桥塞外表面的机械性能和抗挤压能力;

5）桥塞在溶解过程所产生的应力分均更加均称，提高桥塞在溶解时的效果。

2 可溶性性桥塞地面研究

可溶金属主要是熔点比较低的铝镁合金材质，跟氯离子反应进而降解，降解速度主要受氯根影响胶桶降解原理是在温度作用下，分子产生反应，进而老化失去强度，在外力作用下就会变成粉末，所以主要受温度影响。因此本章对可溶桥塞的承压性能及溶解性能进行测试研究。

2.1 承压性能测试

以外径95mm可溶桥塞为研究对象，配套直径44.5 mm 的可溶球。首先在地面通过液压坐封工具将可溶桥塞坐封到套管内，再利用桥塞试验装置进行加热以及承压测试。以NaCl质量分数1%的溶液为介质，通过试验装置加热到98 ℃，加压至70 MPa并承压15 min，隔4 h加压1次。试验结果显示可溶桥塞浸泡12 h，仍然可以承压70 MPa，稳压15 min，泄漏小于1%。浸泡16 h后，可溶桥塞还可以加压至70 MPa，但是会有持续的压力泄漏。

2.2溶解性能试验

采用恒温浸泡的方法测试可溶球和可溶桥塞本体的溶解速度。分别对2种材质取样，样品尺寸：20 mmx 20 mm x 20 mm，可溶球材质密度1.834gl cm'，本体材质密度1.925 g/cm'，同样浸泡在NaCl质量分数1%的溶液中进行降解试验，浸泡温度为98 ℃。每隔2 h烘干样品，采用精密仪器测量样品剩余质量，直至样品完全降解。可溶桥塞的金属部分以Mg合金为主，在氯离子的作用下镁与水发生化学反应生成粉末状的，即有：

可溶球和可溶桥塞本体的溶解速度从图2中可以看出。可溶球的溶解速度要快一些，这正好符合可溶桥塞的使用特点：可溶球先溶解，留出桥塞的通道供返排液流动，加快桥塞总体溶解。

在同样的溶解条件下，同样材质的试样大小不同，溶解时间也不会相同。由计算可知，可溶球的溶解速率比桥塞本体的溶解速率更快一些。

模拟现场使用条件，返排液中NaCl的质量分数为1%，恒温98 ℃，分别将卡瓦、胶简以及可溶桥塞总成浸泡在返排液中。卡瓦及胶筒溶解前、后对比分别如图2和图3所示。从图2可以看出，该卡瓦已经全部溶解，只留下卡瓦表面的一些易碎镀层。从图3可以看出，可溶胶筒也完全溶解，变成了泥状物。将可溶桥塞整体浸泡在桥塞试验装置中，返排液中NaCl的质量分数为1%，恒温98 ℃，桥塞溶解曲线如图4所示。由图可知，接近10 d桥塞全部溶解。

可溶桥塞在98 ℃、NaCl质量分数为1%的溶液中承压可以达到70 MPa。压裂球45 h完全溶解，卡瓦65 h完全溶解，本体各部件40～106 h完全溶解，胶筒在205 h开始溶解，245 h完全溶解。

试验结果表明可溶桥塞满足各项设计技术要求，具备现场应用条件。

3.结论

（1）12时之前，桥塞溶解比可溶球缓慢，质量基本无变化。

（2）12时之后桥塞溶解剧烈，速率加快，60时样品剩余约6g。推断：整体桥塞金属部分400小时（约17天）后溶解成糊状，基本无残留物;14.3天时，胶筒基本溶解完，呈颗粒状。

（3）可溶球溶解速度高于桥塞本体，因此建议压裂正式推球之前再投球，避免可溶球溶解过快造成密封失效;

（4）可溶桥塞基本全可溶，缩短建井周期，为客户节省了时间和成本;而且在降低风险的同时又能快速建立生产，提高资产的净现值。

参考文献：

[1]可溶桥塞试验研究及现场应用_杨小城