頁巖氣井可溶橋塞工具研制及應(yīng)用

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧 盤錦 124010)

橋塞工具作為頁巖氣分段壓裂改造的主體工具，在北美超過85%的頁巖氣井中使用[1,2]，而國內(nèi)頁巖氣井則全部采用橋塞工具進行壓裂施工改造。相比較速鉆橋塞、大通徑橋塞，可溶橋塞在壓后一定時間內(nèi)，橋塞本體和膠筒等自行溶解，可實現(xiàn)套管全通徑生產(chǎn)，具有綜合成本低、投產(chǎn)時間短、降低作業(yè)風(fēng)險以及可實現(xiàn)二次改造的優(yōu)點[3]。2016～2017年，國內(nèi)各大頁巖氣區(qū)塊從局部井段試驗可溶橋塞擴展到全井段應(yīng)用。但國內(nèi)應(yīng)用的可溶橋塞基本依賴進口，成本高昂，且未達到完全可溶。因此，開展國產(chǎn)可溶橋塞工具的研制，有利于降低國內(nèi)頁巖氣儲層改造成本，提高改造效果。筆者通過對比國內(nèi)外可溶橋塞性能，自制了頁巖氣井可溶橋塞工具，并在四川威遠、黃金壩等區(qū)塊頁巖氣井開展了現(xiàn)場試驗，對頁巖氣井的開發(fā)具有重要的意義。

1 國內(nèi)外可溶橋塞性能對比

圖1 國內(nèi)外可溶橋塞

國外幾大油服公司均有自己的可溶橋塞產(chǎn)品，如貝克休斯公司Spectre可溶橋塞(見圖1(a))、哈里伯頓公司Illusion可溶性橋塞(見圖1(b))、Magnum公司的MVP可溶橋塞(見圖1(c))、斯倫貝謝公司的Infinity可溶球座(見圖1(d))、Target公司的Loadstar可溶橋塞(見圖1(e))，國內(nèi)中國石油勘探開發(fā)研究院(以下簡稱“中石油勘探院”)的SHARK可溶橋塞(見圖1(f))。

斯倫貝謝公司Infinity可溶球座區(qū)別于傳統(tǒng)的橋塞結(jié)構(gòu)，不含橡膠件，在使用中需要在下套管時提前預(yù)制套管短節(jié)，但其下入和使用方式均和其他可溶橋塞相同。國內(nèi)外可溶橋塞參數(shù)對比見表1，中石油勘探院可溶橋塞工具外徑最小，下入性優(yōu)于國外工具。但所有的可溶橋塞壓后15d均未完全溶解，都需要連續(xù)油管帶磨鞋通井[4]。

表1 國內(nèi)外可溶橋塞參數(shù)對比

2 可溶材料的合成與評價

2.1 可溶金屬

可溶金屬材料主要有鎂基可溶金屬和鋁基可溶金屬2大類，通過添加稀土元素、重金屬元素等進一步提高材料的強度，同時降低耐電解質(zhì)腐蝕性能[5～9]，其溶解機理是基于不同金屬在電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)原理。通過燒結(jié)法和高溫拉制法制備了3種標(biāo)號的可溶金屬材料，力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。3種標(biāo)號可溶金屬材料的拉伸強度均不低于320MPa，抗壓強度不低于78MPa，滿足現(xiàn)場耐壓指標(biāo)(70MPa)的要求。

表2 可溶金屬材料的力學(xué)性能

從圖2和圖3可以看出，可溶金屬的溶解性能與溫度、鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽溶液的環(huán)境下，隨著溫度的升高，溶解速度加快；在相同溫度的環(huán)境下，隨著鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，溶解速度加快。可溶金屬溶解物呈細砂狀，烘干后為粉末。采用XRD檢測可溶金屬溶解物，其主要成分為氫氧化鎂，激光粒度儀測得溶解物粒徑小于0.3mm，滿足頁巖氣井返排的要求。

圖2 不同溫度下溶解時間的變化 圖3 不同KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下溶解時間的變化

2.2 可溶膠筒材料

圖4 可溶膠筒材料浸泡后的硬度變化

現(xiàn)有的可溶膠筒材料可分為水溶膠筒和降解式膠筒。從溶解物來看，水溶膠筒的溶解物呈泥狀、無強度，而降解式膠筒的溶解物為膠筒碎片。因此，前者的溶解性能要優(yōu)于后者，但是后者的強度要優(yōu)于前者。筆者用氫化丁腈橡膠(HNBR)作為水溶膠筒主體材料，通過添加促進劑TMTD和軍工材料來調(diào)節(jié)硬度和親水性能。實驗室中測取其抗拉強度≥280MPa，邵氏硬度≥85。

將膠筒材料放置在100℃水浴槽中，測量硬度變化情況，如圖4所示?？扇苣z筒在100℃水溶液中保持硬度3d不變化，滿足頁巖氣現(xiàn)場施工要求。

3 可溶橋塞工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 可溶卡瓦

由于可溶材料強度較低，因此需通過減少卡瓦應(yīng)力來優(yōu)化卡瓦結(jié)構(gòu)，滿足頁巖氣壓裂錨定橋塞的需要。施工套管直徑為114.3mm,卡瓦牙半徑為4.5mm,計算可溶橋塞承受70MPa壓差時的每個卡瓦牙擠壓應(yīng)力。

橋塞受力：

F=pS=70×3.14×(114.3/2)2=717893.7(N)

式中：F為70MPa壓差時橋塞受力，N；p為壓力，MPa；S為套管管內(nèi)面積，mm2。

按照八瓣卡瓦，計算卡瓦牙極限狀態(tài)下的擠壓應(yīng)力：

式中：p1為單個卡瓦牙擠壓應(yīng)力，MPa；S1為卡瓦牙面積，mm2。

若按照四川頁巖氣井正常施工時橋塞上下真實壓差為45～55MPa計算，單個卡瓦牙擠壓應(yīng)力229～280MPa，卡瓦基體的安全系數(shù)為1.36～1.67。

3.2 可溶膠筒

在現(xiàn)有封隔器、橋塞的基礎(chǔ)上，結(jié)合膠筒和密封組件設(shè)計原理，提出了一種分瓣式支撐環(huán)結(jié)構(gòu)，為高壓力下橋塞的密封提供強度支撐，如圖5所示。在坐封工具推力的作用下，分瓣式支撐環(huán)沿背環(huán)斜面爬升，直至支撐環(huán)的外表面與套管內(nèi)壁接觸。壓裂時，在高壓下膠筒朝著壓力低的方向變形，直至遇到撐起的支撐環(huán)，阻止膠筒繼續(xù)變形，保障了膠筒密封性能。

3.3 上接頭

原有上接頭與球接觸的是一個直角(見圖6(a))，考慮到可溶壓裂球在3～5m/s的高速運動下到達橋塞位置時，碰到該直角時有可能造成壓裂球損傷，導(dǎo)致密封不嚴(yán)的情況[10]。為此，優(yōu)化后的斜面接觸減輕了對可溶球的損壞(見圖6(b))。

圖5 可溶膠筒密封組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(試驗后) 圖6 上接頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 可溶橋塞

成型后的可溶橋塞見圖7，包含卡瓦錨定機構(gòu)、密封承壓機構(gòu)、丟手機構(gòu)及防提前坐封機構(gòu)等。橋塞參數(shù)見表3，Y45R-92主要用于頁巖氣套變井，配套使用貝克10#加強型坐封工具(外徑70mm)；Y45R-98主要用于頁巖氣常規(guī)井，配套使用貝克20#坐封工具(外徑97mm)。

圖7 優(yōu)化后的可溶橋塞結(jié)構(gòu)

橋塞規(guī)格外徑/mm內(nèi)徑/mm長度/mm可溶球直徑/mm適應(yīng)套管內(nèi)徑/mmY45R-92982547045114.3～115Y45R-98983543050114.3～118

4 可溶橋塞試驗

4.1 試驗井模擬

井況：溫度80℃，滑溜水質(zhì)量濃度15000mg/L。將可溶橋塞下入試驗井中浸泡8h，坐封丟手，累計浸泡24h后投球打壓至70MPa，保壓4h后壓降0.8MPa，繼續(xù)浸泡179h完全溶解。表明該可溶橋塞的丟手、承壓及溶解性能滿足四川頁巖氣井現(xiàn)場施工要求。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年12月起，可溶橋塞在四川威遠、黃金壩等頁巖氣區(qū)塊累計施工7口井，共實施36段可溶橋塞，施工成功率100%，驗證了橋塞下入、坐封丟手、密封承壓性能及溶解性能，說明自主研制的可溶橋塞已達到國內(nèi)外同類工具水平，滿足現(xiàn)場施工要求。

5 結(jié)論

1)開展了可溶材料的小樣合成試驗，并從力學(xué)和溶解性能方面進行了評價，制備了滿足四川頁巖氣井況要求的可溶金屬和可溶橡膠材料。

2)針對可溶材料的性能參數(shù)，進行了可溶橋塞整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，模擬了四川頁巖氣施工井況并成功進行了可溶橋塞的丟手、密封承壓以及溶解性能室內(nèi)試驗，完成了可溶橋塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計及定型。

3)自研可溶橋塞在四川威遠、黃金壩等區(qū)塊試驗成功率為100%，驗證了該橋塞滿足頁巖氣井的施工要求，達到了國內(nèi)外同類工具的水平。