四川頁(yè)巖氣井壓裂用橋塞技術(shù)及泵送作業(yè)分析

王海東， 陳 鋒， 李 然， 李 濤， 王 琦， 聶華富， 單 勇

(1中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司 2中國(guó)石油浙江油田分公司)

頁(yè)巖氣藏頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度很低，最高僅為4% ～5%，滲透率小于1 mD，因此多級(jí)分段壓裂成為了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。伴隨著“體積改造”概念的提出并結(jié)合美國(guó)三十多年的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，也表明了頁(yè)巖氣水平井套管完井及分段壓裂技術(shù)逐漸成為主體技術(shù)模式，而“分段多簇”射孔實(shí)施應(yīng)力干擾是實(shí)現(xiàn)體積改造的技術(shù)關(guān)鍵之一[1](圖1)。多簇射孔與分段壓裂工藝具有理論上可無(wú)限級(jí)分段、裂縫起裂位置明確、可一次性形成多條裂縫，可進(jìn)行大規(guī)模壓裂改造等優(yōu)點(diǎn)[2]。分簇射孔能夠?yàn)閴毫炎鳂I(yè)提供良好的流體通道，坐封在套管內(nèi)的橋塞在壓裂作業(yè)時(shí)起暫時(shí)封堵作用，因此橋塞技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)分段壓裂的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

近年來(lái)在四川地區(qū)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)中，采用的壓裂封堵橋塞包括易鉆復(fù)合橋塞、大通徑免鉆橋塞和可溶橋塞。此三類(lèi)橋塞均可采用配套的電纜坐封工具或液壓坐封工具進(jìn)行坐封。本文結(jié)合不同橋塞的特性和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)應(yīng)用情況，闡述了三類(lèi)橋塞的技術(shù)特點(diǎn)以及對(duì)泵送橋塞工藝進(jìn)行了相關(guān)分析。

圖1 分簇射孔管串示意圖

一、易鉆復(fù)合橋塞

易鉆復(fù)合橋塞是指以硬質(zhì)復(fù)合材料為主而開(kāi)發(fā)的一類(lèi)低密度、高強(qiáng)度、完全可鉆的非金屬材料橋塞[3]，包括常規(guī)的鑄鐵卡瓦復(fù)合橋塞和全復(fù)合橋塞二類(lèi)。鑄鐵復(fù)合橋塞是指卡瓦為鑄鐵材料，其他為復(fù)合材質(zhì)為主的一類(lèi)橋塞，全復(fù)合橋塞是指卡瓦部分也采用高強(qiáng)度復(fù)合材料和相關(guān)硬質(zhì)卡齒的一類(lèi)復(fù)合橋塞。

目前四川地區(qū)頁(yè)巖氣井采用的復(fù)合橋塞多數(shù)為鑄鐵卡瓦復(fù)合橋塞，如圖2所示的該類(lèi)復(fù)合橋塞，主要包括球籠(單向)式、投球式和全封堵式復(fù)合橋塞。球籠式復(fù)合橋塞采用了內(nèi)置“單向”金屬球，實(shí)現(xiàn)“正向”壓裂的良好封堵作用，“反向”可返排泄壓。投球式復(fù)合橋塞在橋塞坐封后，通過(guò)井口投入配套的壓裂球?qū)崿F(xiàn)壓裂封堵，壓裂球包括不可溶的樹(shù)脂類(lèi)壓裂球和可溶材料類(lèi)的壓裂球，可滿(mǎn)足二次或多次泵送，是目前水平井應(yīng)用最多的復(fù)合橋塞[4]。全封堵式復(fù)合橋塞是指橋塞內(nèi)液體通道被完全堵住的一類(lèi)復(fù)合橋塞，壓裂完成之后全部鉆磨掉，進(jìn)行生產(chǎn)。

圖2 復(fù)合材料橋塞

復(fù)合橋塞作為頁(yè)巖氣井分段壓裂重要的分段工具，主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

(1)可鉆性好。橋塞主要采用復(fù)合材料制成，可采用連續(xù)油管進(jìn)行快速鉆除，與普通橋塞相比復(fù)合橋塞更易于磨銑，不會(huì)在井筒中留下大塊碎屑而導(dǎo)致卡鉆,小鉆壓下即可完成鉆塞作業(yè)[5-6]。單個(gè)橋塞的鉆磨時(shí)間一般在30～60 min。

(2)密封性好、坐封可靠。橋塞密封單元和保護(hù)套的弧面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大了密封單元的接觸面積，提高了密封承壓能力[7]。卡瓦結(jié)構(gòu)和特殊的齒合機(jī)理使橋塞坐封可靠，同時(shí)能夠防止鉆磨橋塞時(shí)橋塞打轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)井內(nèi)多個(gè)橋塞坐封和鉆磨。

(3)殘留物少，易返排。橋塞坐封后無(wú)剪切銷(xiāo)釘?shù)冗z留，沒(méi)有銅環(huán)或者碳化鎢鑲齒阻礙磨銑，磨銑后產(chǎn)生的碎屑小，容易循環(huán)帶出到地面。

(4)可實(shí)現(xiàn)迅速返排和投產(chǎn)。橋塞內(nèi)置液體通道以便液體進(jìn)出，可實(shí)現(xiàn)壓后迅速返排和投產(chǎn)(全封堵橋塞除外)。

(5)耐溫、耐壓性好，適用性強(qiáng)。復(fù)合橋塞耐溫可達(dá)150℃，耐壓差70 MPa/105 MPa，各型復(fù)合橋塞適用于114.3～177.8 mm各類(lèi)套管井作業(yè)。

二、大通徑免鉆橋塞

大通徑免鉆橋塞是指采用了大通徑結(jié)構(gòu)技術(shù)與配套可溶球暫時(shí)封堵技術(shù)的一類(lèi)橋塞，具有通徑大，免鉆的基本特點(diǎn)，如圖3所示的大通徑橋塞。橋塞內(nèi)部具有較大的流通通道，壓裂改造時(shí)需投入可溶球進(jìn)行暫時(shí)封堵橋塞內(nèi)通道。由于該橋塞采用了單卡瓦結(jié)構(gòu)，坐封時(shí)在橋塞內(nèi)部安裝通芯式應(yīng)力丟手工具，進(jìn)行橋塞丟手坐封，見(jiàn)圖4所示。

圖3 大通徑橋塞示意圖

1可溶球 2鎖緊頂帽 3膨脹膠圈 4膠皮 5鎖緊環(huán) 6卡瓦 7鎖緊環(huán)殼體 8芯軸

圖4 大通徑橋塞坐封連接示意圖

在四川地區(qū)僅2015年應(yīng)用的大通徑橋塞就超過(guò)了400個(gè)，該橋塞與配套可溶球技術(shù)在頁(yè)巖氣水平井的開(kāi)發(fā)中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，主要包括：

(1)采用可溶球技術(shù)。橋塞坐封后，投入可溶球進(jìn)行壓裂改造的暫時(shí)封堵，可溶球以金屬鋁、功能合金、強(qiáng)化合金等為原料，與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生反應(yīng)并逐步溶解。有效封堵時(shí)間長(zhǎng)(一般大于10 h)，可溶于清水、鹽水(氯化鈣、氯化鉀)等多種液體。

(2)橋塞內(nèi)通徑大、可免鉆。橋塞內(nèi)通徑一般在55～75 mm，可滿(mǎn)足直接完井投產(chǎn)的要求，同時(shí)也能滿(mǎn)足生產(chǎn)測(cè)井的要求。

(3)可鉆磨打撈。如果要實(shí)現(xiàn)全通徑井筒，需要對(duì)橋塞進(jìn)行鉆磨并打撈。由于橋塞鎖緊裝置在上部，可用連續(xù)油管帶撈矛磨銑掉上部鎖緊裝置，撈矛即可抓住橋塞，起出剩余部分，節(jié)約了鉆磨周期且井下不會(huì)留下殘余部件。但是該橋塞如果只靠純鉆磨掉而保持井筒全通徑，其難度很大，最好采用鉆磨打撈。

(4)提高時(shí)效、降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本。壓裂完成后可溶球溶解，可直接防噴、排液、求產(chǎn)，免除了連續(xù)油管鉆塞的作業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)、縮短了作業(yè)周期，單井節(jié)約總成本約15% ～20%。

(5)耐溫、耐壓性好，適用性強(qiáng)?？蓱?yīng)用于114.3～177.8 mm的各型套管內(nèi)坐封，耐溫150℃、耐壓差70 MPa。另外特別適用于不易鉆除、鉆磨難度大的深井、長(zhǎng)水平段井分段壓裂作業(yè)[8-9]。

三、可溶橋塞

為了免去對(duì)橋塞的鉆磨作業(yè)且保持井筒的全通徑性，目前已經(jīng)研發(fā)并采用了一種全新的封堵橋塞即可溶橋塞，以IDissolving可溶橋塞為例(圖5)。可溶橋塞是指采用高強(qiáng)度的可溶材料研制的可在井內(nèi)逐漸溶解的一類(lèi)橋塞(包括膠筒、本體等均可溶)。

圖5 可溶橋塞

該橋塞可代替常規(guī)的壓裂橋塞，壓裂完成后無(wú)需鉆塞，可直接投產(chǎn)，另外需要采用配套可溶球進(jìn)行壓裂時(shí)橋塞內(nèi)通道的封堵。可溶橋塞具有如下特點(diǎn)：

(1)可溶解性強(qiáng)，殘留物少。橋塞的本體、膠筒以及壓裂球均可溶解，壓裂完成后隨著時(shí)間和溫度的共同作用橋塞本體和膠筒自動(dòng)溶解，一般完全溶解的時(shí)間在30 d以上。橋塞溶解后殘留物少，主要以黏稠狀物，部分碎屑顆粒物為主，易于循環(huán)或返排出井口。

(2)適用于多種液體體系?？扇苡谇逅?、滑溜水、鹽水等各種液體，在酸性液中溶解速度加快。如果橋塞管串在井筒內(nèi)發(fā)生遇卡時(shí)，可向井內(nèi)注入酸液加快橋塞溶解即可快速解卡。

(3)根據(jù)需要可鉆磨?？扇軜蛉目摄@性強(qiáng)，需要鉆磨時(shí)可進(jìn)行快速鉆除。

(4)實(shí)現(xiàn)井筒全通徑。橋塞自動(dòng)溶解后可以實(shí)現(xiàn)壓裂與投產(chǎn)的無(wú)縫連接。

(5)經(jīng)濟(jì)時(shí)效性高。無(wú)需鉆磨，降低了連續(xù)油管鉆塞的風(fēng)險(xiǎn)和成本，節(jié)約了完井作業(yè)時(shí)間。

(6)耐溫、耐壓性好。最高耐溫150℃，耐壓差70 MPa。

四、橋塞與泵注排量、液體沖擊力的關(guān)系

泵送橋塞管串的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的技術(shù)，在不同的井深設(shè)置合理的排量參數(shù)，使管串在井內(nèi)正常運(yùn)行同時(shí)也可防止管串遇阻、掉井等事故[10]。然而，近年來(lái)在四川地區(qū)頁(yè)巖氣水平井中上千次的泵送作業(yè)情況表明，不同的橋塞外徑對(duì)于泵送排量及液體對(duì)管串的沖擊力的影響非常大。

基于目前四川地區(qū)多數(shù)采用的?139.7 mm套管(內(nèi)徑114.3 mm)，本文應(yīng)用有限元軟件對(duì)分簇射孔施工管串建立有限元模型，并使用流體結(jié)構(gòu)耦合分析功能對(duì)100 mm，105 mm，110 mm三種不同外徑的橋塞的泵送排量以及對(duì)管串產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行仿真分析，得到不同外徑橋塞情況下泵送排量與液體沖擊力的關(guān)系。建模管串為常用的3簇1 300 mm分簇射孔器結(jié)構(gòu)，管串尺寸數(shù)據(jù)為：?43 mm打撈頭×450 mm+?73 mm電纜帽護(hù)套×520 mm+?86 mm直通接頭×200 mm+?89 mm射孔槍×1 300 mm+?73 mm選發(fā)裝置×500 mm+?89 mm射孔槍×1 300 mm+?73 mm選發(fā)裝置×500 mm+?89 mm射孔槍×1 300 mm+?73 mm選發(fā)裝置×500 mm+?96.5 mm橋塞工具×2 123 mm+橋塞×560 mm,其中只有橋塞的外徑尺寸不同，管串其余部分尺寸均相同。

圖6 不同橋塞外徑下液體產(chǎn)生的對(duì)管串的沖擊力和排量的關(guān)系

圖6是使用流體結(jié)構(gòu)耦合仿真分析得到的不同橋塞外徑下液體產(chǎn)生的對(duì)管串的沖擊力和排量的關(guān)系。從圖6中可以看出，在橋塞外徑為100 mm時(shí)，液體沖擊力比較小，并且隨排量呈近似指數(shù)緩慢增長(zhǎng)。當(dāng)橋塞外徑為105 mm時(shí)時(shí)，液體沖擊力隨排量增長(zhǎng)的速度就比外徑為100 mm時(shí)要快。而當(dāng)橋塞外徑為110 mm時(shí)，液體沖擊力隨排量呈指數(shù)迅速增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)幅度大大超過(guò)外徑為100 mm和105 mm。因此在橋塞外徑為110 mm時(shí)，橋塞與套管內(nèi)壁的間隙非常小，這時(shí)液體沖擊力對(duì)排量的增加變得非常敏感。排量稍微的變化就會(huì)引起液體沖擊力劇烈的變化。同樣在固定排量的情況下，液體沖擊力對(duì)橋塞外徑的增加也變得非常敏感。

另外對(duì)于在井筒干凈無(wú)雜質(zhì)情況下，可使用較小的間隙，井筒出砂較多或有雜質(zhì)的情況下使用較大的間隙。這樣既能形成滿(mǎn)足推動(dòng)管串前行的沖擊力，又能保證電纜安全。

五、結(jié)論與建議

(1)通過(guò)對(duì)泵送橋塞管串建模，模擬計(jì)算并分析了三種不同外徑橋塞在泵送作業(yè)中，泵送排量與液體沖擊力的關(guān)系。

(2)為了保證泵送橋塞管串的作業(yè)安全，提出應(yīng)結(jié)合施工條件，電纜頭弱點(diǎn)拉斷力和本體拉斷力，以及模擬計(jì)算情況，選用合適的橋塞外徑和排量進(jìn)行泵送作業(yè)。

(3)建議頁(yè)巖氣井實(shí)際開(kāi)發(fā)中，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)概況，實(shí)際井況，泵送參數(shù)優(yōu)化，工程需求，后期作業(yè)和經(jīng)濟(jì)成本等因素，綜合考慮并采用適合實(shí)際井的壓裂用封堵橋塞。

[1]王海東，陳鋒，歐躍強(qiáng)，等.頁(yè)巖氣水平井分簇射孔配套技術(shù)分析及應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)， 2016, 13(8):40-45.

[2]王曉梅.可鉆橋塞多簇射孔分段壓裂完井技術(shù)在大港油田的應(yīng)用[J].化工管理，2016(6):96-96.

[3]王遷偉,王德安,張永春.泵送可鉆橋塞分段壓裂工藝在紅河油田的應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，16(6):82-84.

[4]宋燕高,林立世.川西氣田可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)[J].油氣井測(cè)試，2015，24(3):52-55.

[5]白田增,吳德，康如坤，等.泵送式復(fù)合橋塞鉆磨工藝研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2014,36(1):123-125.

[6]趙榮華,李斌，萬(wàn)愛(ài)娥，等.復(fù)合橋塞在水平井分段壓裂中的應(yīng)用[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,25(5):53-55.

[7]葉登勝,李斌,周正，等.新型速鉆復(fù)合橋塞的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2014,34(4):62-66

[8]王海東,唐凱,歐躍強(qiáng)，等.大通徑橋塞與可溶球技術(shù)在頁(yè)巖氣X井的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016,45(4):78-81.

[9]陳海力,鄧素芬，王琳，等．免鉆磨大通徑橋塞技術(shù)在頁(yè)巖氣水平井分段改造中的應(yīng)用[J]．鉆采工藝，2016，39(2)：123-125.

[10]陳鋒,李奔馳，唐凱，等．橋塞與套管間隙對(duì)泵送橋塞影響分析與實(shí)踐[J]．測(cè)井技術(shù)，2016，40(2)：249-252.