可溶性橋塞技術應用現狀及發展趨勢

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(1.中國石油西南油氣田公司 工程技術研究院，成都 610017； 2.中國石油西南油氣田公司 川東北氣礦，四川 達州 635000)

電纜泵送橋塞+分簇射孔聯作分段壓裂工藝是目前國內外頁巖氣藏儲層改造、提高頁巖氣水平井單井產量的主流技術，其中橋塞工具是該工藝技術的關鍵環節之一[1-2]。可溶性橋塞是一種由新型材料制成的用于水平井壓裂改造的井筒臨時封隔類分段工具，集常規快鉆式復合橋塞和大通徑橋塞優點于一體，壓裂施工時提供穩定的層間封隔，施工結束后可在井內液體環境中、一定溫度條件下自行溶解，無需井筒作業，實現井筒全通徑投產[3-5]。國內外多家油服公司和科研機構已研制出可溶性橋塞工具，并開展了現場試驗，取得了良好效果。可溶性橋塞的成功應用，有效提高了作業效率，節省了后續費用，降低了施工風險，產生了良好的經濟效益和社會效益，推廣應用前景廣闊。

1 可溶性橋塞技術特點

可溶性橋塞主要由橋塞基體、錨定機構及密封件3部分組成，橋塞基體由高強度可溶材料制成，包括中心管、錐體、保護環及接頭等。錨定機構采用可溶材料作為載體，表面經過合金粉粒、合金顆粒或陶瓷顆粒處理。密封件為可溶性橡膠或塑料。

1.1 材質特點

Mg + 2H2O → Mg(OH)2+ H2↑

上述總反應可由以下分步反應組成：

陽極反應，Mg → Mg2++2e-

陰極反應，2H2O+2e-→H2+2OH-

反應產物，Mg2++2OH-→Mg(OH)2

鎂鋁合金的溶解速率主要與液體溫度和Cl-濃度有關，溫度越高，溶解越快；Cl-濃度越高，合金表面鈍化膜破壞越快，液體導電性越好，溶解速率越快。

聚乙醇酸(PGA)是目前最常用于制作橋塞基體的一種高分子材料，經過調制優化，具有接近于鎂鋁合金的強度和力學性能，在液體環境中、一定溫度條件下發生水解反應，高聚物主鏈上不穩定的C-O鍵分解成低聚物，最終降解為二氧化碳和水[8]。

高分子材料的溶解速率主要與液體溫度有關，當液體溫度達到材料玻璃化轉變溫度后，溫度越高，溶解越快。

這個“科普”之名的獎，引來了記者訪談.主題是：能夠獲獎的科普著作為何沒在大陸出版？然后發表了不著邊際的評論文章.如果她但凡有點水平，評論的焦點恐怕應該是：究竟什么是科普著作(前提是認同還是否定“吳大猷科普獎”的屬性)？

可溶性橋塞密封件是一種高分子材料，有單膠筒、組合膠筒等多種形式，多為熱塑性彈性體共混物，其中主相彈性體保證密封性能，分散相水解保證溶解性能，膠筒溶解后呈糊狀或碎粒狀，易返排。

1.2 結構特征

在結構組成方面，可溶性橋塞的錨定機構具有獨特之處。常規橋塞的錨定機構多為整體式鑄鐵卡瓦或分瓣式硬質合金卡瓦，而可溶性橋塞的錨定機構則是對可溶材料載體進行表面處理，在滿足錨定要求的同時，盡量保證溶解效果[9-10]。

一種表面處理方式是在可溶材料載體表面噴涂合金粉末，橋塞坐封后依靠合金粉末與套管內壁的摩擦力來達到錨定的效果；另一種表面處理方式是在可溶材料載體表面鑲嵌合金或陶瓷顆粒，顆粒有柱狀和塊狀兩種形式，橋塞坐封后鑲嵌的顆粒咬入套管達到錨定效果，如圖1所示。比較這兩種表面處理方式，載體溶解后合金粉末粒徑小，極易隨液體返出，而顆粒尺寸大、數量多、密度高，返出效果難以保證，后續作業前可能還需采用連續油管進行井筒清理。

1—表面噴涂合金粉末；2—鑲嵌陶瓷柱；3—鑲嵌合金柱；4—鑲嵌陶瓷塊鑲；5—嵌鑄鐵塊。

另外，可溶性橋塞的錨定方向有單向和雙向兩種，單向錨定在反向承壓時一般要求控制壓差不超過10 MPa，雙向錨定的正反向承壓能力相當。

1.3 整體性能對比

與常規橋塞相比，可溶性橋塞具有不受連續油管作業能力限制，無需進行井筒作業，實現井筒全通徑等技術優勢，詳細對比見表1。

表1 可溶性橋塞與常規橋塞整體性能對比

2 國內外應用現狀

國內外一些知名的油服公司和科研機構，例如國外Halliburton、Baker Hughes、Vertechs、Magnum和國內中國石油勘探開發研究院等均已研制出可溶性橋塞工具，并在北美、加拿大及國內川渝等地區開展了現場先導試驗。

2.1 Illusion可溶性橋塞

2015-06-15，哈里伯頓公司完井工具業務部在美國休斯敦率先發布了最新研發的代號為“幻覺”(Illusion)的可溶性橋塞(如圖2所示)，該橋塞是當時市場上所見報道的首款可溶性橋塞[11]。橋塞主要由合金本體、錨定機構及密封膠筒組成，合金本體由可溶性金屬材料制成，雙向錨定機構為可溶合金載體鑲嵌陶瓷粒方式，陶瓷粒為圓柱狀，密封膠筒是一種可溶性橡膠。

圖2 Illusion可溶性橋塞示意

據調研資料顯示，截至目前Illusion可溶性橋塞已在全球累計入井約5 000只。2017年在國內川渝頁巖氣示范區足201-H1井開展了現場先導試驗，該井井深6 038 m，地層溫度130 ℃，采用與139.7 mm套管匹配的Illusion可溶性橋塞進行分段壓裂，全井施工累計使用橋塞23只，最大施工泵壓達100 MPa，施工過程橋塞性能穩定。

2.2 SPECTRE可溶性橋塞

2015-09-28，在美國休斯敦舉辦的國際石油工程師學會(SPE)年度技術會議及展覽上，貝克休斯公司發布了其首款全可溶壓裂橋塞(如圖3所示)，橋塞代號“幽靈”(SPECTRE)[12]。該橋塞是一種金屬復合材料橋塞，本體由高強度的電解納米金屬材料制成，膠筒材質為特殊聚氨酯，單向錨定卡瓦采用鎳基合金涂層技術(涂層厚度0.25～0.38 mm)，壓裂時強度穩定，暴露于返排液后溶解性能優良，溶解速率受返排液鹽度和溫度影響。橋塞溶解后本體完全消失，膠筒和卡瓦涂層呈細小碎粒，可返排出井筒。

圖3 SPECTRE可溶性橋塞示意

截至目前，SPECTRE-410系列可溶性橋塞已在美國德克薩斯州、俄克拉荷馬州及加拿大等地區成功投放2 000余只。在國內青海油田峁平1井也率先開展了6只橋塞的現場試驗，承壓及溶解性能滿足現場施工要求。

2.3 WIZARD可溶性橋塞

2016年，維泰油氣能源公司研發了代號為“魔法師”(WIZARD)的可溶性橋塞(如圖4所示)，橋塞基體為可溶性鎂鋁合金材料，單向錨定機構為可溶載體鑲嵌鑄鐵卡瓦牙，密封膠筒為可溶性橡膠或塑料[13]。

圖4 WIZARD可溶性橋塞示意

據廠家提供資料顯示，該橋塞坐封后可承壓差68.9 MPa(10 000 psi)，溶解后僅剩余8塊超小尺寸的鑄鐵卡瓦塊，整體可溶解率大于98%。2017年，WIZARD可溶性橋塞在國內四川長寧頁巖氣示范區的3口井開展了現場先導試驗，累計完成壓裂改造40余段。試驗期間嘗試了當日泵送、次日壓裂的作業模式，驗證了該橋塞滿足現場拉鏈壓裂作業需求。

2.4 MVP可溶性橋塞

2016-02，瑪格納姆公司發布了其最新研發的代號為MVP的可溶性橋塞(如圖5所示)，該橋塞主要由高分子聚合物材料制成，是一種可生物降解的環境友好型材料，其溶解速率主要受液體溫度影響。橋塞下錐體、卡瓦載體等少部分為鎂鋁合金，雙向錨定機構為可溶載體鑲嵌合金顆粒，密封膠筒是一種可溶橡膠，整個橋塞可溶率約為99.5%[14]。

圖5 MVP可溶性橋塞示意

據調研資料顯示，MVP可溶性橋塞在美國德克薩斯州、科羅拉多州等地區已有400余口井的現場應用實例，累計下入橋塞近6 000只。2016年底在國內長寧、昭通等頁巖氣區塊成功開展了現場先導試驗，并取得了良好效果。

2.5 國內可溶性橋塞

中國石油勘探開發研究院成功研發了具有自主知識產權的可溶性橋塞，其主體采用輕質高強可溶合金材料，強度高，耐壓差70 MPa，遇水可溶，且溶解時間可控[15]。據相關報道，該可溶性橋塞已在吐哈油田、大慶油田等 9 口油井的壓裂作業中使用，并于2016年底在四川威遠成功應用于頁巖氣井的分段壓裂改造。

3 結語

可溶性橋塞技術無需任何干預作業而實現井筒全通徑，有效解決了快鉆式復合橋塞依賴連續油管鉆磨和大通徑橋塞無法滿足生產測井要求的難題。未來，隨著可溶材料技術的不斷進步，橋塞國產化將被不斷推進，市場競爭將變得更加激烈，可溶性橋塞的技術優勢和性價比將更加突顯，其必將成為頁巖氣等非常規氣藏分段壓裂工具的重要發展方向之一。目前，國內的可溶性橋塞技術仍處于起步探索階段，在橋塞材料性能、室內測試方法及現場配套工藝等方面仍有大量工作需要開展。

1) 強化橋塞材料性能。可溶性橋塞材料的強度和溶解性能必須依據擬應用井況條件進行針對性設計，壓裂時具有足夠的承壓強度和密封效果，溶解性能除了滿足井筒全通徑的要求，還必須具備可操作的快速處理方案。

2) 優化室內測試方法。目前，可溶性橋塞性能的室內測試主要依據常規橋塞和封隔器相關測試標準和規范，不具備針對性。對于可溶性橋塞性能的測試應充分考慮井筒液體類型、礦化度及井筒溫度等因素影響，并結合現場井況和工藝的需求。

3) 完善現場配套工藝。可溶性橋塞是一項新興技術，為了進一步保證壓裂施工質量和壓后溶解效果，充分發揮可溶性橋塞技術優勢，需優化和完善壓裂施工制度與壓后排液制度，建立一套有效的現場施工配套技術。

鑒于此，建議加強科研攻關力度，升級完善可溶材料，創新優化橋塞結構，在保證橋塞可靠性能的同時盡量減少橋塞不溶物數量，真正實現無干預作業。