114.3 mm套管水平井試氣用橋塞室內(nèi)試驗(yàn)研究

胡相君，李旭梅，王效明，王在強(qiáng)，白小佩，劉 明

（1.長(zhǎng)慶油田 油氣工藝研究院，西安710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程試驗(yàn)室，西安710021） ①

目前，水平井已作為常規(guī)技術(shù)被應(yīng)用于幾乎所有類型的油藏［1］。長(zhǎng)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(yōu)化和提高。水平井泵入式橋塞射孔聯(lián)作工藝是油氣田水平井完井的一種較先進(jìn)工藝，具有施工安全快捷、占井時(shí)間短、連續(xù)油管可一次鉆除多個(gè)橋塞、整體試氣周期短、效率高等優(yōu)點(diǎn)。所以，研發(fā)適合長(zhǎng)慶氣田114.3 mm套管泵入橋塞射孔聯(lián)作工藝用橋塞有著重要的意義。

傳統(tǒng)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(yè)中，鉆磨橋塞易發(fā)生卡鉆，處理起來(lái)較復(fù)雜［2］。國(guó)外技術(shù)人員近年來(lái)發(fā)展了利用復(fù)合材料制造橋塞的技術(shù)。復(fù)合材料與金屬材料相比，具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、易鉆銑等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了金屬材料不易鉆磨的不足。目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料橋塞還處于初始研制階段。

1 橋塞發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 橋塞分類

橋塞分段壓裂改造目的性強(qiáng)、可控性強(qiáng)、施工可靠。橋塞分段壓裂工藝中所采用的橋塞，根據(jù)下入方式可分為油管和電纜下入式橋塞，國(guó)外斯倫貝謝公司最近針對(duì)水平井，提出了水力泵送下入式橋塞技術(shù)；根據(jù)坐封方式可分為液壓坐封、電纜坐封、機(jī)械坐封和液壓機(jī)械坐封等，目前我國(guó)各油田廣泛使用液壓坐封橋塞和電纜坐封橋塞；根據(jù)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(jié)構(gòu)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(dá)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(wú)法滿足長(zhǎng)效封隔的要求，使可取式橋塞在國(guó)內(nèi)油田的應(yīng)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(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外20世紀(jì)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(jìn)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(jìn)入20世紀(jì)90年代后，特別是近年來(lái)，國(guó)外發(fā)展了利用非金屬材料制造可鉆橋塞的技術(shù)。非金屬材料與金屬材料相比，具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、易鉆銑等優(yōu)點(diǎn)，而且還可使用聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭鉆銑。

目前，國(guó)內(nèi)四川、大慶、長(zhǎng)慶等油田相繼開展了復(fù)合橋塞的研究，但總體處于研究起步階段。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的可鉆式橋塞主要是自1986年引進(jìn)的美國(guó)各公司的產(chǎn)品并進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造。產(chǎn)品有遼寧阜新馳宇的可鉆式橋塞及中美合資四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司生產(chǎn)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(zhì)量較好，一些關(guān)鍵零部件從Map公司進(jìn)口，耐溫可到170℃。

2 水平井用橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)。圖1為橋塞的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 橋塞整體結(jié)構(gòu)

1） 錨定機(jī)構(gòu) 由上下卡瓦、支撐套等組成。坐封工具推動(dòng)卡瓦座、支撐套、膠筒座向下運(yùn)動(dòng)，隨著壓力進(jìn)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(dòng)。

2） 密封機(jī)構(gòu) 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(shí)脹開緊貼套管壁，有效阻止膠筒壓縮時(shí)“肩部突出”撕裂。

3） 丟手機(jī)構(gòu) 通過(guò)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 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(yù)定位置，通過(guò)火藥爆破、液壓坐封等工具產(chǎn)生的壓力作用于上卡瓦，拉力作用于張力棒，當(dāng)拉力達(dá)到一定值時(shí)，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(fā)揮效能，上下卡瓦破碎并鑲嵌在套管內(nèi)壁上，膠筒膨脹并密封，完成坐封。

2.3 技術(shù)參數(shù)

研制的橋塞主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 114.3 mm套管水平井試氣用橋塞主要技術(shù)參數(shù)

3 材料選擇

根據(jù)橋塞的結(jié)構(gòu)及橋塞各部件坐封載荷下的應(yīng)力分析，明確了橋塞各部件的作用及材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，為橋塞各部件材料的選擇提供了技術(shù)依據(jù)。

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(jìn)行螺紋連接，需要材料具有優(yōu)良的加工性，優(yōu)選為2A12鋁合金。

3） 膠筒材料的優(yōu)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(yōu)選 橋塞的膠筒座采用耐高溫、抗酸堿同時(shí)具有優(yōu)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(yōu)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(zhì)量輕、易鉆銑的復(fù)合材料。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證橋塞性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，為完善水力泵入式橋塞技術(shù)提供依據(jù)，為橋塞投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供技術(shù)支持。此次試驗(yàn)內(nèi)容主要有3個(gè)方面：

1） 找出卡瓦破開斷面面積與破開力間的關(guān)系。

2） 驗(yàn)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(fù)合橋塞卡瓦張開力試驗(yàn)

將卡瓦和按橋塞支撐套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的錐形套管相連，在WE－30型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行卡瓦破開的壓力測(cè)試。

通過(guò)大量的破開試驗(yàn)，繪制了卡瓦破開斷面面積S與破開力F的關(guān)系曲線，如圖2。根據(jù)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(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

4.2 橋塞雙向密封性能試驗(yàn)

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(nèi)；坐封成功后，通過(guò)地面液壓設(shè)備對(duì)橋塞正、反向?qū)嵤┏兀?5℃）加液壓70 MPa。其后采用套管外壁加熱的方式，加熱套管內(nèi)環(huán)境溫度至120℃，對(duì)橋塞正、反向?qū)嵤└邷兀?20℃）加液壓70 MPa。

4.2.1 橋塞坐封試驗(yàn)

對(duì)3套研發(fā)的橋塞進(jìn)行了火藥坐封試驗(yàn)，表2為15 t火藥坐封試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 橋塞坐封數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

將已坐封好的橋塞在常溫條件下（25℃），正向（自復(fù)合橋塞頂端）緩慢加液壓，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3。

圖3 1＃復(fù)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(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

采用如圖4所示的試驗(yàn)裝置對(duì)研制的橋塞坐封進(jìn)行高溫（120℃）雙向承壓試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5。

高溫條件下橋塞70 MPa下雙向承壓試驗(yàn)結(jié)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(yàn)裝置

圖5 橋塞高溫正向承壓曲線

通過(guò)自主研發(fā)的橋塞功能性試驗(yàn)，可以看出自主研發(fā)的橋塞坐封穩(wěn)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(yàn)

通過(guò)給定的轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩等參數(shù)對(duì)橋塞進(jìn)行鉆磨，與國(guó)外進(jìn)口橋塞鉆磨時(shí)間對(duì)比，得到自主研發(fā)橋塞的鉆磨特性，采用的鉆磨工具如圖6所示，鉆磨試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖6 ClearCut Mp Mill磨鞋

圖7 橋塞鉆磨試驗(yàn)裝置

將套管裝卡在圖7所示鉆機(jī)平臺(tái)工裝上。材料的鉆磨速度隨著轉(zhuǎn)速、鉆壓的提高而增大，所以選擇試驗(yàn)參數(shù)：鉆速320 r/min，鉆壓4.5～6.5 k N，轉(zhuǎn)矩200～600 N·m。按表3參數(shù)對(duì)2種橋塞進(jìn)行鉆磨試驗(yàn)。鉆屑如圖8～9。

表3 自主研發(fā)橋塞和進(jìn)口橋塞的鉆磨性能對(duì)比

圖8 自主研發(fā)橋塞的鉆屑

圖9 進(jìn)口橋塞的鉆屑

通過(guò)自主研發(fā)的橋塞與引進(jìn)的橋塞對(duì)比鉆磨試驗(yàn)，可以得到，自主研發(fā)橋塞的鉆磨性能與引進(jìn)橋塞的鉆磨性能相當(dāng)。

3） 該橋塞可提高氣田水平井的試氣效果，具有良好的市場(chǎng)前景。

5 結(jié)論

1） 自主研發(fā)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(shí)間為26.2 min，其鉆磨性能與引進(jìn)橋塞的鉆磨性能相當(dāng)。

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

［2］ 徐克彬，張連朋，吉鴻波，等.高壓復(fù)合材料橋塞應(yīng)用實(shí)踐［J］.油氣井測(cè)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(yīng)用 ［J］.石 油鉆采工藝，2008，30（4）：111－113.