页岩气压裂用可溶性桥塞研制及性能评价

喻成刚， 刘 辉， 李 明， 王 宇， 喻 冰

(中国石油西南油气田公司工程技术研究院)

页岩气作为一种新兴清洁能源，具有储层自然产能非常低、开发成本投入非常高等特点，未来要实现工业化，依靠不断的技术进步持续增储上产从而实现效益开发将是重点突破口。水平井分段压裂是目前国内外页岩气等非常规气藏开发的重要增产措施之一，可有效增加单井控制储量，提高单井产能[1-3]。

可溶性桥塞是页岩气水平井分段压裂领域的一项前沿技术，该桥塞无需钻磨，压裂施工结束后在返排液中自行溶解，保证井筒全通径，为后期生产测试等作业提供条件[4-8]。中石油西南油气田分公司工程技术研究院通过技术攻关，已成功研制出适用于外径139.7 mm厚壁套管的可溶性桥塞，经室内测试，桥塞承压密封性能可靠，溶解性能良好，已具备开展现场试验的条件。

一、桥塞结构设计及技术特点

1.结构及工作原理

根据页岩气水平井泵送桥塞射孔联作分段压裂工艺技术原理，设计了可溶性桥塞，其结构如图1所示，主要由中心管、锚定机构、密封胶筒及丢手环组成。其中，中心管是整个桥塞的零件载体，上接头、卡瓦载体、锥体、保护环及胶筒与中心管均为间隙配合，下接头与中心管为螺纹连接，丢手环与中心管为螺纹连接。桥塞坐封时，在坐封工具适配器推力作用下，卡瓦载体沿锥体斜面滑动并张开，胶筒沿中心管方向被压缩膨胀并实现密封，当压缩力达到设计值时丢手环螺纹被剪切，完成丢手。

图1 可溶性桥塞结构示意图

桥塞基体为可溶性镁基合金材料，其溶解速率与环境温度和浸泡流体含盐浓度有关；锚定机构为可溶载体镶嵌铸铁卡瓦牙，载体溶解后铸铁卡瓦块可用文丘里或强磁工具捞出；密封件为可溶性胶筒，是一种不可逆材料，溶解后呈碎粒状，易返排。基体及胶筒材料均可根据现场井况及压裂工艺要求进行匹配。

2.主要技术参数

适用于外径139.7 mm、壁厚12.7 mm套管，桥塞外径103 mm，内径28 mm，长度550 mm，设计坐封丢手值150 kN，工作压差70 MPa，工作温度90℃～100℃，配套可溶球外径43 mm，压裂液有效密封时间不低于24 h，返排液地层条件全溶时间不超过15 d，可溶率不低于95%。

3.主要技术特点

(1)锚定机构采用双向卡瓦结构设计，坐封时提供稳定的锁紧力，压裂时提供可靠的锚定力，施工中若遇砂堵等异常情况允许开井放喷。

(2)丢手方式为丢手环剪切螺纹脱手，丢手环材质为镁基合金可溶材料，较传统剪切销钉丢手方式更加安全可靠，且不会在井内残留多余的不溶物。

(3)桥塞上下端采用啮合设计，为异常情况下的应急钻磨提供条件。

二、关键部件性能测试

1.卡瓦锚定性能测试

卡瓦锚定性能测试装置如图2所示，根据图示进行装配，卡瓦底部采用工形底座支撑，卡瓦及锥体套于中心管上，材料试验机压杆对承力座进行加载。首先模拟桥塞坐封丢手过程，加载下压力至150 kN，压杆下行13.5 mm，卡瓦锚定在套管内壁上；然后模拟桥塞压裂承载过程，取出工形底座后继续加载下压力至680 kN，压杆下行3.3 mm，卡瓦下端面无位移，实验结果表明卡瓦锚定性能可靠，能够满足压裂施工要求。

2.胶筒密封性能测试

胶筒密封性能测试装置如图3所示，根据图示进行装配，胶筒底部采用支撑块支撑，胶筒及上、下保护环套于中心管上，中心管下部设计锁紧机构，材料试验机压杆对中心管进行加载。首先模拟桥塞坐封丢手过程，加载下压力至150 kN，中心管下行48.9 mm，胶筒被压缩胀开密封中心管与套管环空；然后模拟桥塞压裂承压过程， 中心管锁紧后试验机卸载，套管上端连接试压泵管线，打压至70 MPa，保压15 min，无压降，实验结果表明胶筒密封性能良好，能够满足压裂施工要求。

图2 卡瓦锚定性能测试装置

图3 胶筒密封性能测试装置

3.丢手环剪切值测试

丢手环剪切值测试装置如图4所示，根据图示进行装配，丢手环与丢手杆连接好后置于试件座内，接头与试件座连接后固定在试验机上夹板上，试验机下夹板夹持住丢手杆并进行加载。利用该装置对8种不同规格的丢手环进行了剪切值测试，其中螺纹规格M27×3 mm丢手环平均剪切值为153 kN，与设计值相匹配。

三、桥塞整体性能测试

为了验证自主研发的可溶性桥塞整体性能，先后开展了桥塞坐封丢手性能测试、高温承压密封性能测试及溶解性能测试。

图4 丢手环剪切值测试装置

1.桥塞坐封丢手性能测试

利用智能水压试验装置和贝克20#液压坐封工具将可溶性桥塞试制样机坐封于套管工装内，测试过程桥塞与坐封工具匹配良好，桥塞顺利坐封丢手，丢手压力12.3 MPa(折算丢手力约155 kN)与设计值相吻合，坐封丢手曲线如图5所示，测试结果表明桥塞丢手方式设计合理，丢手值稳定可靠。

图5 桥塞整体性能测试坐封丢手曲线

2.桥塞承压密封性能测试

为了验证可溶性桥塞的高温承压密封性能，将套管工装置于高温实验装置中，加温至93℃待温度稳定后缓慢升压至70 MPa，稳压24 h后保压15 min，无明显压降，承压实验曲线如图6所示，测试结果表明桥塞承压密封性能能够满足现场压裂施工要求。

图6 桥塞整体性能承压实验曲线

3.桥塞溶解性能测试

将承压实验后的可溶性桥塞试样浸泡于93℃、氯根浓度1%的返排液中，连续高温浸泡14.5 d后，桥塞质量由初始6 543 g下降至240 g，溶解率达96.3%，溶解实验曲线如图7所示，测试结果表明桥塞溶解性能良好，能够满足后期生产测试等作业对井筒条件的要求。

图7 桥塞整体性能溶解实验曲线

四、结论及建议

(1)自主研发的可溶性桥塞结构设计合理，材料选型恰当，各部件性能达到设计要求，适用于页岩气水平井分段压裂工艺技术。

(2)整体性能测试结果表明，桥塞丢手方式设计合理，高温承压密封性能稳定，溶解性能良好，能够满足现场压裂施工及后期测试对井筒条件的要求。

(3)该桥塞顺利通过室内测试，已具备入井条件，建议开展现场试验进一步检验桥塞性能。