114.3 mm套管水平井試氣用橋塞室內試驗研究

胡相君，李旭梅，王效明，王在強，白小佩，劉 明

（1.長慶油田 油氣工藝研究院，西安710021；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程試驗室，西安710021） ①

目前，水平井已作為常規技術被應用于幾乎所有類型的油藏［1］。長慶氣田114.3 mm套管的水平井逐漸增多，水平井試氣工藝迫切需要優化和提高。水平井泵入式橋塞射孔聯作工藝是油氣田水平井完井的一種較先進工藝，具有施工安全快捷、占井時間短、連續油管可一次鉆除多個橋塞、整體試氣周期短、效率高等優點。所以，研發適合長慶氣田114.3 mm套管泵入橋塞射孔聯作工藝用橋塞有著重要的意義。

傳統橋塞是用金屬和橡膠材料制成的。但金屬材料不易鉆磨，耐腐蝕性也差，特別在斜井、水平井的作業中，鉆磨橋塞易發生卡鉆，處理起來較復雜［2］。國外技術人員近年來發展了利用復合材料制造橋塞的技術。復合材料與金屬材料相比，具有耐腐蝕、強度高、質量輕、易鉆銑等優點，彌補了金屬材料不易鉆磨的不足。目前，國內復合材料橋塞還處于初始研制階段。

1 橋塞發展現狀

1.1 橋塞分類

橋塞分段壓裂改造目的性強、可控性強、施工可靠。橋塞分段壓裂工藝中所采用的橋塞，根據下入方式可分為油管和電纜下入式橋塞，國外斯倫貝謝公司最近針對水平井，提出了水力泵送下入式橋塞技術；根據坐封方式可分為液壓坐封、電纜坐封、機械坐封和液壓機械坐封等，目前我國各油田廣泛使用液壓坐封橋塞和電纜坐封橋塞；根據解封方式和用途不同可分為可取式和可鉆式橋塞。

1） 可取式橋塞 可取式橋塞結構原理大同小異，一般采用雙錐體、雙向卡瓦卡緊，三膠筒密封，液壓坐封，只是解封方式有所不同，承壓較低，雙向壓差15～35 MPa，有的單向壓差達到60 MPa。

2） 可鉆式橋塞 由于可取式橋塞后期打撈成功率難以保證，且無法滿足長效封隔的要求，使可取式橋塞在國內油田的應用范圍受到限制，而可鉆式橋塞可以永久封隔，封隔效果好［3］。

1.2 可鉆式橋塞發展現狀

國外20世紀80年代末以前橋塞使用的可鉆材料基本上是金屬材料，可采用普通鉆頭或銑刀進行鉆銑。但這類橋塞一般用在較高溫度和壓力條件下的井。

進入20世紀90年代后，特別是近年來，國外發展了利用非金屬材料制造可鉆橋塞的技術。非金屬材料與金屬材料相比，具有耐腐蝕、強度高、質量輕、易鉆銑等優點，而且還可使用聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭鉆銑。

目前，國內四川、大慶、長慶等油田相繼開展了復合橋塞的研究，但總體處于研究起步階段。國內生產的可鉆式橋塞主要是自1986年引進的美國各公司的產品并進行了國產化改造。產品有遼寧阜新馳宇的可鉆式橋塞及中美合資四機賽瓦石油鉆采設備有限公司生產的WBM型橋塞，密封膠筒多為耐油丁腈橡膠，耐溫較低，一般只有100～125℃，密封壓差35～70 MPa；WBM型橋塞質量較好，一些關鍵零部件從Map公司進口，耐溫可到170℃。

2 水平井用橋塞結構設計

2.1 結構組成

114.3 mm水力泵入式橋塞主體上采用三膠筒＋膠筒座＋支撐套＋雙卡瓦組合密封設計。圖1為橋塞的整體結構。

圖1 橋塞整體結構

1） 錨定機構 由上下卡瓦、支撐套等組成。坐封工具推動卡瓦座、支撐套、膠筒座向下運動，隨著壓力進一步增大，在支撐套和卡瓦的錐面作用下，依靠錨定在套管上的錨牙限制卡瓦的縱向移動。

2） 密封機構 由硬度不同的橡膠膠筒和膠筒座組成。膠筒在坐封力作用下，徑向膨脹緊貼套管壁。膠筒座是在壓縮時脹開緊貼套管壁，有效阻止膠筒壓縮時“肩部突出”撕裂。

3） 丟手機構 通過中心軸上的螺紋和坐封工具相連，在丟手力的作用下完成坐封并拉斷中心軸截面，使坐封工具和橋塞脫開。

4） 鉆磨防轉機構 由上接頭和下接頭組成。

2.2 工作原理

利用電纜或管柱將橋塞輸送到井筒預定位置，通過火藥爆破、液壓坐封等工具產生的壓力作用于上卡瓦，拉力作用于張力棒，當拉力達到一定值時，張力棒斷裂，坐封工具與橋塞脫離。橋塞中心管上的鎖緊裝置發揮效能，上下卡瓦破碎并鑲嵌在套管內壁上，膠筒膨脹并密封，完成坐封。

2.3 技術參數

研制的橋塞主要技術參數如表1。

表1 114.3 mm套管水平井試氣用橋塞主要技術參數

3 材料選擇

根據橋塞的結構及橋塞各部件坐封載荷下的應力分析，明確了橋塞各部件的作用及材料的強度設計要求，為橋塞各部件材料的選擇提供了技術依據。

1） 卡瓦材料的選擇 卡瓦在坐封后需要錨定在套管上，需要一定的硬度要求及易鉆性，故卡瓦材料選用球墨鑄鐵。

2） 中心軸材料的選擇 中心軸需要和坐封工具進行螺紋連接，需要材料具有優良的加工性，優選為2A12鋁合金。

3） 膠筒材料的優選 橋塞的膠筒不僅要具有高的承壓性能，而且還要耐高溫、耐油及耐酸堿等特性，因此選用丁腈膠。

4） 膠筒座材料的優選 橋塞的膠筒座采用耐高溫、抗酸堿同時具有優良塑性、延展性的聚乙烯材料。

5） 上下接頭、支撐套及卡瓦座材料的優選上下接頭、支撐套及卡瓦座三者占橋塞材料用量比重較大，選用質量輕、易鉆銑的復合材料。

4 室內試驗

通過室內試驗，驗證橋塞性能是否滿足設計要求，為完善水力泵入式橋塞技術提供依據，為橋塞投入現場試驗提供技術支持。此次試驗內容主要有3個方面：

1） 找出卡瓦破開斷面面積與破開力間的關系。

2） 驗證坐封工具、火藥柱與橋塞的匹配性。3） 橋塞雙向承壓性能和可鉆性能。

4.1 復合橋塞卡瓦張開力試驗

將卡瓦和按橋塞支撐套結構設計的錐形套管相連，在WE－30型萬能材料試驗機進行卡瓦破開的壓力測試。

通過大量的破開試驗，繪制了卡瓦破開斷面面積S與破開力F的關系曲線，如圖2。根據橋塞卡

圖2 斷口面積與破開力曲線

瓦的斷面面積，由曲線得卡瓦的破開力為50 k N。

為卡瓦破開結構參數的設計提供了技術依據。

4.2 橋塞雙向密封性能試驗

模擬井下橋塞分段壓裂井況，采用火藥坐封的方式，使用坐封工具坐封橋塞于114.3 mm套管內；坐封成功后，通過地面液壓設備對橋塞正、反向實施常溫（25℃）加液壓70 MPa。其后采用套管外壁加熱的方式，加熱套管內環境溫度至120℃，對橋塞正、反向實施高溫（120℃）加液壓70 MPa。

4.2.1 橋塞坐封試驗

對3套研發的橋塞進行了火藥坐封試驗，表2為15 t火藥坐封試驗數據。

表2 橋塞坐封數據

試驗結果表明，15 t火藥與橋塞、坐封工具匹配良好，橋塞坐封、丟手正常。

4.2.2 橋塞常溫雙向承壓試驗結果

將已坐封好的橋塞在常溫條件下（25℃），正向（自復合橋塞頂端）緩慢加液壓，并記錄試驗數據，如圖3。

圖3 1＃復合橋塞常溫正向一次液壓曲線

常溫條件下橋塞70 MPa下雙向承壓試驗結果表明，研制的橋塞滿足常溫下雙向70 MPa承壓密封性能的要求。

4.2.3 橋塞高溫（120℃）雙向承壓試驗結果

采用如圖4所示的試驗裝置對研制的橋塞坐封進行高溫（120℃）雙向承壓試驗，并記錄試驗數據，如圖5。

高溫條件下橋塞70 MPa下雙向承壓試驗結果表明，研制的橋塞滿足高溫下雙向70 MPa承壓密封性能的要求。

圖4 橋塞高溫雙向承壓試驗裝置

圖5 橋塞高溫正向承壓曲線

通過自主研發的橋塞功能性試驗，可以看出自主研發的橋塞坐封穩定，在常溫和120℃高溫下能滿足70 MPa液壓的密封性能要求。

4.3 橋塞鉆磨性能試驗

通過給定的轉速、鉆壓、扭矩等參數對橋塞進行鉆磨，與國外進口橋塞鉆磨時間對比，得到自主研發橋塞的鉆磨特性，采用的鉆磨工具如圖6所示，鉆磨試驗裝置如圖7所示。

圖6 ClearCut Mp Mill磨鞋

圖7 橋塞鉆磨試驗裝置

將套管裝卡在圖7所示鉆機平臺工裝上。材料的鉆磨速度隨著轉速、鉆壓的提高而增大，所以選擇試驗參數：鉆速320 r/min，鉆壓4.5～6.5 k N，轉矩200～600 N·m。按表3參數對2種橋塞進行鉆磨試驗。鉆屑如圖8～9。

表3 自主研發橋塞和進口橋塞的鉆磨性能對比

圖8 自主研發橋塞的鉆屑

圖9 進口橋塞的鉆屑

通過自主研發的橋塞與引進的橋塞對比鉆磨試驗，可以得到，自主研發橋塞的鉆磨性能與引進橋塞的鉆磨性能相當。

3） 該橋塞可提高氣田水平井的試氣效果，具有良好的市場前景。

5 結論

1） 自主研發的114.3 mm水力泵入式橋塞可滿足常溫及高溫120℃下，雙向70 MPa液壓密封性能的要求。

2） 研制的橋塞鉆磨時間為26.2 min，其鉆磨性能與引進橋塞的鉆磨性能相當。

［1］ 郝增賢，肖中海，李民樂，等.水平井橋塞分層試油工藝技術［J］.石油礦場機械，2009，38（1）：91－92.

［2］ 徐克彬，張連朋，吉鴻波，等.高壓復合材料橋塞應用實踐［J］.油氣井測試，2009，18（3）：63－66.

［3］ 梁紅梅，婁文祥，蔣海濤，等.可鉆式橋塞磨銑打撈工具的研制 及應用 ［J］.石 油鉆采工藝，2008，30（4）：111－113.