可溶性橋塞技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

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(1.中國(guó)石油西南油氣田公司 工程技術(shù)研究院，成都 610017； 2.中國(guó)石油西南油氣田公司 川東北氣礦，四川 達(dá)州 635000)

電纜泵送橋塞+分簇射孔聯(lián)作分段壓裂工藝是目前國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層改造、提高頁(yè)巖氣水平井單井產(chǎn)量的主流技術(shù)，其中橋塞工具是該工藝技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。可溶性橋塞是一種由新型材料制成的用于水平井壓裂改造的井筒臨時(shí)封隔類分段工具，集常規(guī)快鉆式復(fù)合橋塞和大通徑橋塞優(yōu)點(diǎn)于一體，壓裂施工時(shí)提供穩(wěn)定的層間封隔，施工結(jié)束后可在井內(nèi)液體環(huán)境中、一定溫度條件下自行溶解，無(wú)需井筒作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井筒全通徑投產(chǎn)[3-5]。國(guó)內(nèi)外多家油服公司和科研機(jī)構(gòu)已研制出可溶性橋塞工具，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好效果?？扇苄詷蛉某晒?yīng)用，有效提高了作業(yè)效率，節(jié)省了后續(xù)費(fèi)用，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

1 可溶性橋塞技術(shù)特點(diǎn)

可溶性橋塞主要由橋塞基體、錨定機(jī)構(gòu)及密封件3部分組成，橋塞基體由高強(qiáng)度可溶材料制成，包括中心管、錐體、保護(hù)環(huán)及接頭等。錨定機(jī)構(gòu)采用可溶材料作為載體，表面經(jīng)過(guò)合金粉粒、合金顆?；蛱沾深w粒處理。密封件為可溶性橡膠或塑料。

1.1 材質(zhì)特點(diǎn)

Mg + 2H2O → Mg(OH)2+ H2↑

上述總反應(yīng)可由以下分步反應(yīng)組成：

陽(yáng)極反應(yīng)，Mg → Mg2++2e-

陰極反應(yīng)，2H2O+2e-→H2+2OH-

反應(yīng)產(chǎn)物，Mg2++2OH-→Mg(OH)2

鎂鋁合金的溶解速率主要與液體溫度和Cl-濃度有關(guān)，溫度越高，溶解越快；Cl-濃度越高，合金表面鈍化膜破壞越快，液體導(dǎo)電性越好，溶解速率越快。

聚乙醇酸(PGA)是目前最常用于制作橋塞基體的一種高分子材料，經(jīng)過(guò)調(diào)制優(yōu)化，具有接近于鎂鋁合金的強(qiáng)度和力學(xué)性能，在液體環(huán)境中、一定溫度條件下發(fā)生水解反應(yīng)，高聚物主鏈上不穩(wěn)定的C-O鍵分解成低聚物，最終降解為二氧化碳和水[8]。

高分子材料的溶解速率主要與液體溫度有關(guān)，當(dāng)液體溫度達(dá)到材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，溫度越高，溶解越快。

這個(gè)“科普”之名的獎(jiǎng)，引來(lái)了記者訪談.主題是：能夠獲獎(jiǎng)的科普著作為何沒(méi)在大陸出版？然后發(fā)表了不著邊際的評(píng)論文章.如果她但凡有點(diǎn)水平，評(píng)論的焦點(diǎn)恐怕應(yīng)該是：究竟什么是科普著作(前提是認(rèn)同還是否定“吳大猷科普獎(jiǎng)”的屬性)？

可溶性橋塞密封件是一種高分子材料，有單膠筒、組合膠筒等多種形式，多為熱塑性彈性體共混物，其中主相彈性體保證密封性能，分散相水解保證溶解性能，膠筒溶解后呈糊狀或碎粒狀，易返排。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

在結(jié)構(gòu)組成方面，可溶性橋塞的錨定機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特之處。常規(guī)橋塞的錨定機(jī)構(gòu)多為整體式鑄鐵卡瓦或分瓣式硬質(zhì)合金卡瓦，而可溶性橋塞的錨定機(jī)構(gòu)則是對(duì)可溶材料載體進(jìn)行表面處理，在滿足錨定要求的同時(shí)，盡量保證溶解效果[9-10]。

一種表面處理方式是在可溶材料載體表面噴涂合金粉末，橋塞坐封后依靠合金粉末與套管內(nèi)壁的摩擦力來(lái)達(dá)到錨定的效果；另一種表面處理方式是在可溶材料載體表面鑲嵌合金或陶瓷顆粒，顆粒有柱狀和塊狀兩種形式，橋塞坐封后鑲嵌的顆粒咬入套管達(dá)到錨定效果，如圖1所示。比較這兩種表面處理方式，載體溶解后合金粉末粒徑小，極易隨液體返出，而顆粒尺寸大、數(shù)量多、密度高，返出效果難以保證，后續(xù)作業(yè)前可能還需采用連續(xù)油管進(jìn)行井筒清理。

1—表面噴涂合金粉末；2—鑲嵌陶瓷柱；3—鑲嵌合金柱；4—鑲嵌陶瓷塊鑲；5—嵌鑄鐵塊。

另外，可溶性橋塞的錨定方向有單向和雙向兩種，單向錨定在反向承壓時(shí)一般要求控制壓差不超過(guò)10 MPa，雙向錨定的正反向承壓能力相當(dāng)。

1.3 整體性能對(duì)比

與常規(guī)橋塞相比，可溶性橋塞具有不受連續(xù)油管作業(yè)能力限制，無(wú)需進(jìn)行井筒作業(yè)，實(shí)現(xiàn)井筒全通徑等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 可溶性橋塞與常規(guī)橋塞整體性能對(duì)比

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外一些知名的油服公司和科研機(jī)構(gòu)，例如國(guó)外Halliburton、Baker Hughes、Vertechs、Magnum和國(guó)內(nèi)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院等均已研制出可溶性橋塞工具，并在北美、加拿大及國(guó)內(nèi)川渝等地區(qū)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)。

2.1 Illusion可溶性橋塞

2015-06-15，哈里伯頓公司完井工具業(yè)務(wù)部在美國(guó)休斯敦率先發(fā)布了最新研發(fā)的代號(hào)為“幻覺(jué)”(Illusion)的可溶性橋塞(如圖2所示)，該橋塞是當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上所見(jiàn)報(bào)道的首款可溶性橋塞[11]。橋塞主要由合金本體、錨定機(jī)構(gòu)及密封膠筒組成，合金本體由可溶性金屬材料制成，雙向錨定機(jī)構(gòu)為可溶合金載體鑲嵌陶瓷粒方式，陶瓷粒為圓柱狀，密封膠筒是一種可溶性橡膠。

圖2 Illusion可溶性橋塞示意

據(jù)調(diào)研資料顯示，截至目前Illusion可溶性橋塞已在全球累計(jì)入井約5 000只。2017年在國(guó)內(nèi)川渝頁(yè)巖氣示范區(qū)足201-H1井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，該井井深6 038 m，地層溫度130 ℃，采用與139.7 mm套管匹配的Illusion可溶性橋塞進(jìn)行分段壓裂，全井施工累計(jì)使用橋塞23只，最大施工泵壓達(dá)100 MPa，施工過(guò)程橋塞性能穩(wěn)定。

2.2 SPECTRE可溶性橋塞

2015-09-28，在美國(guó)休斯敦舉辦的國(guó)際石油工程師學(xué)會(huì)(SPE)年度技術(shù)會(huì)議及展覽上，貝克休斯公司發(fā)布了其首款全可溶壓裂橋塞(如圖3所示)，橋塞代號(hào)“幽靈”(SPECTRE)[12]。該橋塞是一種金屬?gòu)?fù)合材料橋塞，本體由高強(qiáng)度的電解納米金屬材料制成，膠筒材質(zhì)為特殊聚氨酯，單向錨定卡瓦采用鎳基合金涂層技術(shù)(涂層厚度0.25～0.38 mm)，壓裂時(shí)強(qiáng)度穩(wěn)定，暴露于返排液后溶解性能優(yōu)良，溶解速率受返排液鹽度和溫度影響。橋塞溶解后本體完全消失，膠筒和卡瓦涂層呈細(xì)小碎粒，可返排出井筒。

圖3 SPECTRE可溶性橋塞示意

截至目前，SPECTRE-410系列可溶性橋塞已在美國(guó)德克薩斯州、俄克拉荷馬州及加拿大等地區(qū)成功投放2 000余只。在國(guó)內(nèi)青海油田峁平1井也率先開(kāi)展了6只橋塞的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，承壓及溶解性能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

2.3 WIZARD可溶性橋塞

2016年，維泰油氣能源公司研發(fā)了代號(hào)為“魔法師”(WIZARD)的可溶性橋塞(如圖4所示)，橋塞基體為可溶性鎂鋁合金材料，單向錨定機(jī)構(gòu)為可溶載體鑲嵌鑄鐵卡瓦牙，密封膠筒為可溶性橡膠或塑料[13]。

圖4 WIZARD可溶性橋塞示意

據(jù)廠家提供資料顯示，該橋塞坐封后可承壓差68.9 MPa(10 000 psi)，溶解后僅剩余8塊超小尺寸的鑄鐵卡瓦塊，整體可溶解率大于98%。2017年，WIZARD可溶性橋塞在國(guó)內(nèi)四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣示范區(qū)的3口井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，累計(jì)完成壓裂改造40余段。試驗(yàn)期間嘗試了當(dāng)日泵送、次日壓裂的作業(yè)模式，驗(yàn)證了該橋塞滿足現(xiàn)場(chǎng)拉鏈壓裂作業(yè)需求。

2.4 MVP可溶性橋塞

2016-02，瑪格納姆公司發(fā)布了其最新研發(fā)的代號(hào)為MVP的可溶性橋塞(如圖5所示)，該橋塞主要由高分子聚合物材料制成，是一種可生物降解的環(huán)境友好型材料，其溶解速率主要受液體溫度影響。橋塞下錐體、卡瓦載體等少部分為鎂鋁合金，雙向錨定機(jī)構(gòu)為可溶載體鑲嵌合金顆粒，密封膠筒是一種可溶橡膠，整個(gè)橋塞可溶率約為99.5%[14]。

圖5 MVP可溶性橋塞示意

據(jù)調(diào)研資料顯示，MVP可溶性橋塞在美國(guó)德克薩斯州、科羅拉多州等地區(qū)已有400余口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，累計(jì)下入橋塞近6 000只。2016年底在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)寧、昭通等頁(yè)巖氣區(qū)塊成功開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，并取得了良好效果。

2.5 國(guó)內(nèi)可溶性橋塞

中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院成功研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可溶性橋塞，其主體采用輕質(zhì)高強(qiáng)可溶合金材料，強(qiáng)度高，耐壓差70 MPa，遇水可溶，且溶解時(shí)間可控[15]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，該可溶性橋塞已在吐哈油田、大慶油田等 9 口油井的壓裂作業(yè)中使用，并于2016年底在四川威遠(yuǎn)成功應(yīng)用于頁(yè)巖氣井的分段壓裂改造。

3 結(jié)語(yǔ)

可溶性橋塞技術(shù)無(wú)需任何干預(yù)作業(yè)而實(shí)現(xiàn)井筒全通徑，有效解決了快鉆式復(fù)合橋塞依賴連續(xù)油管鉆磨和大通徑橋塞無(wú)法滿足生產(chǎn)測(cè)井要求的難題。未來(lái)，隨著可溶材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋塞國(guó)產(chǎn)化將被不斷推進(jìn)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將變得更加激烈，可溶性橋塞的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和性價(jià)比將更加突顯，其必將成為頁(yè)巖氣等非常規(guī)氣藏分段壓裂工具的重要發(fā)展方向之一。目前，國(guó)內(nèi)的可溶性橋塞技術(shù)仍處于起步探索階段，在橋塞材料性能、室內(nèi)測(cè)試方法及現(xiàn)場(chǎng)配套工藝等方面仍有大量工作需要開(kāi)展。

1) 強(qiáng)化橋塞材料性能。可溶性橋塞材料的強(qiáng)度和溶解性能必須依據(jù)擬應(yīng)用井況條件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，壓裂時(shí)具有足夠的承壓強(qiáng)度和密封效果，溶解性能除了滿足井筒全通徑的要求，還必須具備可操作的快速處理方案。

2) 優(yōu)化室內(nèi)測(cè)試方法。目前，可溶性橋塞性能的室內(nèi)測(cè)試主要依據(jù)常規(guī)橋塞和封隔器相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不具備針對(duì)性。對(duì)于可溶性橋塞性能的測(cè)試應(yīng)充分考慮井筒液體類型、礦化度及井筒溫度等因素影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)井況和工藝的需求。

3) 完善現(xiàn)場(chǎng)配套工藝?？扇苄詷蛉且豁?xiàng)新興技術(shù)，為了進(jìn)一步保證壓裂施工質(zhì)量和壓后溶解效果，充分發(fā)揮可溶性橋塞技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需優(yōu)化和完善壓裂施工制度與壓后排液制度，建立一套有效的現(xiàn)場(chǎng)施工配套技術(shù)。

鑒于此，建議加強(qiáng)科研攻關(guān)力度，升級(jí)完善可溶材料，創(chuàng)新優(yōu)化橋塞結(jié)構(gòu)，在保證橋塞可靠性能的同時(shí)盡量減少橋塞不溶物數(shù)量，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)干預(yù)作業(yè)。