頁巖氣壓裂用可溶性橋塞研制及性能評價

2019-02-27 02:30:36喻成剛

鉆采工藝 2019年1期

喻成剛，劉輝，李明，王宇，喻冰

(中國石油西南油氣田公司工程技術研究院)

頁巖氣作為一種新興清潔能源，具有儲層自然產能非常低、開發成本投入非常高等特點，未來要實現工業化，依靠不斷的技術進步持續增儲上產從而實現效益開發將是重點突破口。水平井分段壓裂是目前國內外頁巖氣等非常規氣藏開發的重要增產措施之一，可有效增加單井控制儲量，提高單井產能[1-3]。

可溶性橋塞是頁巖氣水平井分段壓裂領域的一項前沿技術，該橋塞無需鉆磨，壓裂施工結束后在返排液中自行溶解，保證井筒全通徑，為后期生產測試等作業提供條件[4-8]。中石油西南油氣田分公司工程技術研究院通過技術攻關，已成功研制出適用于外徑139.7 mm厚壁套管的可溶性橋塞，經室內測試，橋塞承壓密封性能可靠，溶解性能良好，已具備開展現場試驗的條件。

一、橋塞結構設計及技術特點

1.結構及工作原理

根據頁巖氣水平井泵送橋塞射孔聯作分段壓裂工藝技術原理，設計了可溶性橋塞，其結構如圖1所示，主要由中心管、錨定機構、密封膠筒及丟手環組成。其中，中心管是整個橋塞的零件載體，上接頭、卡瓦載體、錐體、保護環及膠筒與中心管均為間隙配合，下接頭與中心管為螺紋連接，丟手環與中心管為螺紋連接。橋塞坐封時，在坐封工具適配器推力作用下，卡瓦載體沿錐體斜面滑動并張開，膠筒沿中心管方向被壓縮膨脹并實現密封，當壓縮力達到設計值時丟手環螺紋被剪切，完成丟手。

圖1 可溶性橋塞結構示意圖

橋塞基體為可溶性鎂基合金材料，其溶解速率與環境溫度和浸泡流體含鹽濃度有關；錨定機構為可溶載體鑲嵌鑄鐵卡瓦牙，載體溶解后鑄鐵卡瓦塊可用文丘里或強磁工具撈出；密封件為可溶性膠筒，是一種不可逆材料，溶解后呈碎粒狀，易返排。基體及膠筒材料均可根據現場井況及壓裂工藝要求進行匹配。

2.主要技術參數

適用于外徑139.7 mm、壁厚12.7 mm套管，橋塞外徑103 mm，內徑28 mm，長度550 mm，設計坐封丟手值150 kN，工作壓差70 MPa，工作溫度90℃～100℃，配套可溶球外徑43 mm，壓裂液有效密封時間不低于24 h，返排液地層條件全溶時間不超過15 d，可溶率不低于95%。

3.主要技術特點

(1)錨定機構采用雙向卡瓦結構設計，坐封時提供穩定的鎖緊力，壓裂時提供可靠的錨定力，施工中若遇砂堵等異常情況允許開井放噴。

(2)丟手方式為丟手環剪切螺紋脫手，丟手環材質為鎂基合金可溶材料，較傳統剪切銷釘丟手方式更加安全可靠，且不會在井內殘留多余的不溶物。

(3)橋塞上下端采用嚙合設計，為異常情況下的應急鉆磨提供條件。

二、關鍵部件性能測試

1.卡瓦錨定性能測試

卡瓦錨定性能測試裝置如圖2所示，根據圖示進行裝配，卡瓦底部采用工形底座支撐，卡瓦及錐體套于中心管上，材料試驗機壓桿對承力座進行加載。首先模擬橋塞坐封丟手過程，加載下壓力至150 kN，壓桿下行13.5 mm，卡瓦錨定在套管內壁上；然后模擬橋塞壓裂承載過程，取出工形底座后繼續加載下壓力至680 kN，壓桿下行3.3 mm，卡瓦下端面無位移，實驗結果表明卡瓦錨定性能可靠，能夠滿足壓裂施工要求。

2.膠筒密封性能測試

膠筒密封性能測試裝置如圖3所示，根據圖示進行裝配，膠筒底部采用支撐塊支撐，膠筒及上、下保護環套于中心管上，中心管下部設計鎖緊機構，材料試驗機壓桿對中心管進行加載。首先模擬橋塞坐封丟手過程，加載下壓力至150 kN，中心管下行48.9 mm，膠筒被壓縮脹開密封中心管與套管環空；然后模擬橋塞壓裂承壓過程，中心管鎖緊后試驗機卸載，套管上端連接試壓泵管線，打壓至70 MPa，保壓15 min，無壓降，實驗結果表明膠筒密封性能良好，能夠滿足壓裂施工要求。