新型速鉆復(fù)合橋塞的開發(fā)與應(yīng)用

葉登勝 李斌 周正 潘勇 尹叢彬

中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司

速鉆橋塞分段壓裂技術(shù)因其不受分段壓裂層數(shù)限制，能實現(xiàn)大規(guī)模大排量體積壓裂，橋塞鉆銑完后可保證井筒暢通，是目前國內(nèi)外非常規(guī)油氣藏增產(chǎn)改造的主體技術(shù)。主要工藝是通過連續(xù)油管或電纜加液力泵送橋塞至目標(biāo)位置，然后利用坐封、射孔，再進行套管壓裂，依次類推，坐封橋塞、射孔、壓裂聯(lián)作，最后下入磨銑工具一次性鉆除各級橋塞，實現(xiàn)完井投產(chǎn)。

目前北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)井普遍采用該技術(shù)進行多級分段壓裂改造，國內(nèi)頁巖氣儲層改造也主要采用復(fù)合橋塞分段壓裂［1－2］。速鉆復(fù)合橋塞是該技術(shù)的關(guān)鍵工具，國外復(fù)合材料生產(chǎn)水平先進，速鉆復(fù)合橋塞技術(shù)成熟，處于技術(shù)壟斷地位；國內(nèi)對速鉆復(fù)合橋塞研究起步晚，橋塞生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟。為滿足國內(nèi)非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)需要，自主開發(fā)出了高鉆磨效率和高密封承壓能力的新型速鉆復(fù)合橋塞，實現(xiàn)了復(fù)合材料生產(chǎn)成型、橋塞設(shè)計加工完全國產(chǎn)化。

1 新型速鉆復(fù)合橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)及原理

速鉆橋塞包括丟手機構(gòu)、錨定機構(gòu)和密封機構(gòu)，主要由丟手接頭、防轉(zhuǎn)帽、推筒、整體式卡瓦、錐體、保護套、外膠筒、中膠筒、防轉(zhuǎn)接頭、泵送環(huán)等零件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋塞結(jié)構(gòu)示意圖

丟手機構(gòu)包括剪切銷釘和丟手接頭，當(dāng)橋塞坐封后，通過剪切銷釘實現(xiàn)坐封工具與橋塞丟手、釋放橋塞。錨定機構(gòu)包括卡瓦、錐體、箍圈、擋環(huán)及定位銷釘，主要功能是坐封時錐體脹破卡瓦，將橋塞錨定在預(yù)定的套管內(nèi)壁上，為橋塞定位提供足夠的軸向錨定力，為膠筒提供鎖定功能，進而為橋塞密封提供保障。密封機構(gòu)由上中下3個膠筒和保護套構(gòu)成，主要功能是在外力的擠壓下膠筒產(chǎn)生形變封隔套管環(huán)空，固定式和活動式肩部保護組件通過外力擠壓產(chǎn)生徑向變形為膠筒提供肩部保護作用［3］，借此提高膠筒的密封性能，實現(xiàn)橋塞的高壓密封能力。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

該新型復(fù)合橋塞除了卡瓦及密封元件外，其余主要部件均采用復(fù)合材料制成，其強度、耐壓耐溫與同類型的金屬橋塞相當(dāng)，且其可鉆性強，磨銑后產(chǎn)生的碎屑由于密度小，容易循環(huán)帶出地面，克服了磨銑普通橋塞時鉆磨困難、容易卡鉆等困難［4－5］。

新型橋塞具有芯軸防轉(zhuǎn)動和防下移結(jié)構(gòu)，有效提高了鉆磨效率。密封單元和保護套采用弧面結(jié)構(gòu)設(shè)計，增大了密封單元的接觸面積，提高了密封承壓能力。

2 復(fù)合材料研究

根據(jù)橋塞承高壓易鉆磨的使用要求，選擇特殊增強材料和樹脂基體生產(chǎn)復(fù)合材料，使該復(fù)合材料具有強度高，易鉆磨的特性［6］。經(jīng)特殊工藝成型，這種復(fù)合材料的軸向抗壓強度可在500～800MPa。橋塞中心管、防轉(zhuǎn)帽、擋環(huán)、推筒、錐體、膠筒座均是采用該復(fù)合材料制成。

2.1 增強材料

碳纖維是制造復(fù)合增強材料的重要組分之一，具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性。該碳纖維不僅抗拉強度大，而且耐腐蝕性能比較好，能夠在壓裂或者酸化井的強酸性環(huán)境中使用，且能達到基本性能穩(wěn)定。同時該材料具有相對密度小、重量輕、強度高、比強度大的優(yōu)點，滿足了橋塞要求易于泵送、在井底承受高壓的要求。該材料強度高，脆性大，易于鉆磨。

2.2 樹脂基體

復(fù)合材料的樹脂基體是由人工合成的高分子化合物，在復(fù)合材料成型過程中，樹脂基體經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，固定纖維位置、保護纖維免受外界環(huán)境的侵蝕，同時與增強纖維復(fù)合成具有一定形狀的整體，便于加工成橋塞需要的形狀［7］。當(dāng)橋塞在井底承受拉力或者壓力時，外力作用下樹脂基體在纖維之間傳遞載荷并使載荷在復(fù)合材料內(nèi)部實現(xiàn)均勻分布，提高了橋塞復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。

3 復(fù)合材料成型工藝

針對橋塞各零部件的不同受力狀況，采用了纏繞成型和模壓成型兩種不同的成型工藝。對于中心管、防轉(zhuǎn)帽等受拉部件，采用纏繞成型工藝；而推筒、錐體、保護套等受壓部件則采用模壓成型工藝［8］。部分成型設(shè)備如圖2、3所示。

3.1 纏繞成型工藝

纏繞成型是在控制纖維張力和預(yù)定線型的條件下，利用了浸膠機、纏繞機等設(shè)備將連續(xù)的纖維粗紗或布帶浸漬了特殊樹脂膠液后纏繞在相應(yīng)制品內(nèi)腔尺寸的芯模或內(nèi)襯上，使用固化爐控制升溫率加熱至設(shè)定溫度，使復(fù)合材料固化成要求的形狀。

圖2 自動浸膠纏繞機

圖3 模壓成型機

3.2 模壓成型工藝

模壓成型工藝是將預(yù)混料或預(yù)浸料經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。把浸過膠的高強纖維布經(jīng)過烘爐烘至半干，檢測其含膠量。若含膠量不符合要求，則調(diào)整膠輥增加或減少含膠量。把檢測合格的纖維布裁成布片，裁片數(shù)量按照制品厚度與單層厚度計算所得，通常厚度比理論厚度增加0.5mm為合適。調(diào)整纖維布鋪層及鋼板，推入模壓機模壓成型。

4 室內(nèi)實驗

新型速鉆復(fù)合橋塞、配套工具及試驗裝置試制加工后，完成了膠筒耐溫實驗、卡瓦破碎實驗、高溫密封承壓實驗和鉆磨實驗等室內(nèi)結(jié)構(gòu)性能測試實驗65套次，新型速鉆復(fù)合橋塞達到了設(shè)計要求。

4.1 膠筒高溫實驗

將新型膠筒浸泡在油基泥漿中加熱到150℃、保溫168h后，測得膠筒高溫時比試驗前外徑增加1.2 mm，內(nèi)徑增加0.8mm，長度增加2.1mm。冷卻后膠筒比試驗前外徑增加0.3mm，內(nèi)徑增加0.4mm，長度增加0.5mm。膠筒泥漿環(huán)境中熱變形量小，符合要求。

4.2 卡瓦脹破實驗

將新型復(fù)合橋塞錐體錐入卡瓦，放在拉壓實驗機實驗工作臺上（如圖4所示），拉壓機向錐體緩慢垂直加載直到卡瓦破裂，測試卡瓦破裂所需載荷［8］。經(jīng)反復(fù)10次測試實驗，卡瓦沿應(yīng)力槽破裂，破裂加壓載荷為25～30kN。

圖4 卡瓦脹破實驗裝置示意圖

4.3 高溫密封承壓實驗

將橋塞與液壓坐封工具按要求連接好，置入試驗套管內(nèi)的預(yù)定位置。堵塞試驗套管兩端口，套管內(nèi)注滿試驗介質(zhì)，將介質(zhì)加熱至150℃并保溫5h；再向坐封工具加壓，憋壓至28MPa時橋塞完成坐封，繼續(xù)升至35MPa成功丟手；然后，分別從試驗套管兩端試壓70MPa穩(wěn)壓180min，壓力不降。

4.4 鉆磨實驗

將坐封有新型速鉆復(fù)合橋塞的試驗套管固定于專用鉆磨試驗架上，如圖5所示，用監(jiān)73mm螺桿馬達帶專用磨鞋，水泥車泵注清水驅(qū)動螺桿馬達，進行了5套橋塞鉆磨實驗，其實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 橋塞鉆磨實驗圖

表1 地面鉆磨實驗數(shù)據(jù)表

5 現(xiàn)場應(yīng)用

自主研制生產(chǎn)的新型速鉆復(fù)合橋塞已成功應(yīng)用已20余井次，橋塞動作靈活，密封可靠，鉆磨效率高，表2為其中5口井的施工參數(shù)，下面針對某一實例井的應(yīng)用情況進行分析。

5.1 實例井基本情況

實例井是1口水平開發(fā)井，完鉆井深3 425m，入靶點井深2 535m，人工井底深度3 405m，水平段總長890m，地層壓力為38.4MPa，地層溫度為88℃，儲層巖性為灰白色細砂巖。各施工井段主要儲層參數(shù)如表3所示。采用新型速鉆復(fù)合橋塞分8段壓裂，施工注入方式為監(jiān)114.3mm光套管注入。

表2 新型速鉆復(fù)合橋塞部分井施工參數(shù)表

5.2 施工步驟

1）連續(xù)油管連接模擬通井管柱通井，通井后起出通井規(guī)。

2）安裝射孔槍，連續(xù)油管送射孔槍，對第一施工井段射孔，射孔后起出射孔槍。

3）采用光套管注入方式進行第1段加砂壓裂。

4）第1段壓裂施工結(jié)束后，利用電纜下入復(fù)合橋塞坐封射孔聯(lián)作管串。

5）速鉆復(fù)合橋塞到達預(yù)定深度，校深定位，點火坐封速鉆復(fù)合橋塞暫堵第1施工井段。

6）坐封工具與速鉆復(fù)合橋塞丟手后上提射孔槍至第2施工段，校深定位后進行射孔，起出坐封工具和射孔管串，檢查射孔槍發(fā)射情況。

7）采用光套管注入方式進行第2段加砂壓裂。

8）重復(fù)4）～7）步驟，完成第3～8段加砂壓裂施工。

9）壓裂施工結(jié)束，拆壓裂井口，安裝連續(xù)油管鉆磨設(shè)備，鉆磨所有復(fù)合橋塞。

10）鉆磨完所有復(fù)合橋塞后進行放噴、排液及測試投產(chǎn)。

5.3 壓裂施工參數(shù)

該井8段壓裂施工共注入地層液體總量3 949.44 m3，加入陶粒207.93m3，最高施工壓力80MPa，最高砂濃度394kg／m3，最大施工排量9.8m3／min。各段壓裂施工參數(shù)如表4所示。

表3 施工井段主要儲層參數(shù)表

表4 各段壓裂施工參數(shù)表

5.4 鉆磨橋塞

壓裂施工結(jié)束后，用連續(xù)油管帶鉆磨工具串對入井的復(fù)合橋塞進行鉆磨，鉆磨參數(shù)如表5所示。

表5 橋塞鉆磨參數(shù)表

6 結(jié)論

1）該新型橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大創(chuàng)新性，提高了橋塞的密封可靠性和易鉆性。

2）根據(jù)橋塞結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析，結(jié)合復(fù)合材料特性及橋塞各部件的不同使用要求，完成了復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能及鉆磨性能的研究，使新型橋塞具有強度高、易鉆磨的特點。

3）根據(jù)橋塞零部件的不同受力狀況，制定了相應(yīng)的復(fù)合材料成型工藝路線，形成了模壓成型和纏繞成型兩條復(fù)合材料生產(chǎn)線。

4）經(jīng)室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗證明：自主研制生產(chǎn)的橋塞動作靈活，密封可靠，鉆磨效率高，能夠滿足非常規(guī)氣藏儲層改造的要求。

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