高溫全金屬可溶橋塞的研發(fā)與應(yīng)用

楊敏 劉濤 何宴 陳瀟晗 鄒文智

捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司 四川 成都 610000

近年來，全金屬可溶橋塞在國內(nèi)頁巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)中得到了很好的應(yīng)用，該橋塞本體全部由可溶解鎂鋁合金材料組成，無膠筒設(shè)計(jì)，體積小、通徑大，結(jié)構(gòu)簡單，解決了膠筒溶解緩慢、溶解不充分等問題[1-2]，顯著提高了橋塞的溶解速率，縮短了燜井周期，加快了油氣井建產(chǎn)，對橋塞的發(fā)展和非常規(guī)油氣的開采具有重要意義。全金屬可溶橋塞已逐漸取代膠筒式可溶橋塞，成為壓裂改造主要的分段工具。

雖然全金屬可溶橋塞已進(jìn)入了應(yīng)用階段，但專門的研究還較少。目前可溶橋塞的研究主要集中在橋塞的性能評價[3-4]、工藝中的技術(shù)問題[5-6]和現(xiàn)場應(yīng)用情況[7-8]等方面。在少有的全金屬可溶橋塞研究中，也主要研究全金屬可溶橋塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和中低溫井況（＜120℃）應(yīng)用[9]，在高溫狀態(tài)下的（≥120℃）的研究較為缺失。但隨著非常規(guī)油氣井完鉆越來越深，井溫越來越高，全金屬橋塞在高溫井況中的應(yīng)用受到了挑戰(zhàn)。高溫條件下鎂鋁合金溶解快，材料強(qiáng)度和韌性的統(tǒng)一性較差，這導(dǎo)致高溫全金屬橋塞的性能極不穩(wěn)定。

根據(jù)全金屬可溶橋塞在高溫條件下的特點(diǎn)，在現(xiàn)有的可溶鎂鋁合金中篩選合適材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工出滿足要求的可溶橋塞，并通過室內(nèi)測試和現(xiàn)場應(yīng)用評價橋塞的性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。高溫全金屬可溶橋塞的研發(fā)成功，以期為可溶橋塞的發(fā)展應(yīng)用和非常規(guī)油氣的開發(fā)提供指導(dǎo)與幫助。

1 可溶材料的選型

高溫全金屬可溶橋塞對鎂鋁合金材料的溶解速率、強(qiáng)度和延展性要求較高。鎂鋁合金材料對溫度的適應(yīng)性不同，可分為低中高三類（適應(yīng)溫度≥120℃的材料稱為高溫材料）。中低溫材料在高溫環(huán)境下溶解速率快，強(qiáng)度降低，流變性增強(qiáng)，不適合制造高溫橋塞，因此需要在高溫材料中進(jìn)行篩選。材料選擇時也需要考慮現(xiàn)場施工要求，一般要求在井內(nèi)浸泡24h仍須滿足壓裂施工要求。橋塞各部件對材料的要求也不一樣，卡瓦要求滿足高強(qiáng)度性能，以保證可靠的錨定性，金屬密封環(huán)要求高延展性材料，以密封套管內(nèi)壁。其他組件主要起連接和引導(dǎo)作用，可根據(jù)井況和溶解要求，酌情調(diào)整材料以滿足需求。因此需要對不同材料進(jìn)行測試和研究，以匹配橋塞不同部件的要求。本文對7種高溫材料進(jìn)行了溶解和拉伸試驗(yàn)，以論證材料的性能，測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 可溶鎂鋁合金材料的測試結(jié)果

備注：溶解試驗(yàn)環(huán)境為150℃、1%KCl溶液。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1號和2號材料溶解速率較快，暫不考慮高溫環(huán)境使用， 3、4、5號材料強(qiáng)度大，可用于加工卡瓦，6號材料延展性好，可加工金屬密封環(huán)，3號、4號和7號材料溶解速率相對較快，可加工其他輔助組件。本文將在上述材料的基礎(chǔ)上，優(yōu)化橋塞結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出滿足要求的高溫全金屬可溶橋塞。

2 橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫全金屬可溶橋塞仍保持主體結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，橋塞由錐體、金屬密封環(huán)、隔環(huán)、卡瓦、引鞋等組成，但在具體結(jié)構(gòu)上做優(yōu)化調(diào)整，使現(xiàn)有材料的性能最大化，以滿足高溫井筒環(huán)境，橋塞具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 高溫全金屬可溶橋塞結(jié)構(gòu)

圖2 橋塞高溫承壓曲線圖

錐體是受力部件，外部壓力通過坐封工具將力傳遞到錐體，推動錐體下移擠壓金屬密封環(huán)和卡瓦。金屬密封環(huán)是全金屬橋塞的密封組件，受壓擴(kuò)張，貼合套管內(nèi)壁，形成密封；卡瓦是錨定機(jī)構(gòu)，受力撐開，咬合套管，支撐橋塞；隔環(huán)是密封環(huán)和卡瓦之間的緩沖機(jī)構(gòu)，輔助密封；引鞋在橋塞最下端，做有錐面，引導(dǎo)管串下放入井，并設(shè)置剪切銷釘固定橋塞。當(dāng)推力達(dá)到設(shè)定值時，剪切銷釘被剪斷，橋塞與送入管串分離，完成丟手。

橋塞各組成部件的作用不同，對溶解性能的要求也不同，可以根據(jù)井況優(yōu)化不同材料組合，以提高橋塞整體的溶解性。其中錐體和引鞋是橋塞中質(zhì)量相對較大的輔助部件，對橋塞整體的溶解性能有較大的影響，需根據(jù)井況要求，使用溶解速率較快的材料，研究使用的是7號材料。

2.2 金屬密封環(huán)

金屬密封環(huán)是全金屬可溶橋塞的密封組件，是用高延展性的材料加工而成，它代替可溶膠筒密封套管內(nèi)壁。可溶膠筒溶解速率慢，充分溶解時間可超過10天，而金屬結(jié)構(gòu)一般5天之內(nèi)會全部溶解。金屬密封環(huán)在坐封過程中會徑向擴(kuò)張至套管內(nèi)壁，在擴(kuò)張過程中極容易斷裂，材料需要滿足高延展性；橋塞承壓時密封環(huán)直接受力，若強(qiáng)度不足，會發(fā)生軸向錯斷，材料強(qiáng)度須滿足要求；可溶金屬的溶解速率大大快于可溶膠筒，必須控制速率以保證橋塞滿足24h的工作時效。

選擇的是6號材料加工金屬密封環(huán)，6號材料延伸性較好，但擴(kuò)張的過程中仍可能發(fā)生斷裂，需要進(jìn)行一些輔助設(shè)計(jì)以保證性能穩(wěn)定。金屬密封環(huán)中間設(shè)計(jì)凹槽，使形變時有空隙釋放形變量，增強(qiáng)延展性，減小坐封力；凹槽內(nèi)可填裝高溫可溶橡膠圈，以輔助密封。在密封環(huán)和卡瓦之間增加隔環(huán)結(jié)構(gòu)，一是增加密封組件強(qiáng)度，二是形成緩沖區(qū)，避免密封環(huán)與卡瓦直接接觸，保證受力均勻，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.3 可溶卡瓦

卡瓦是橋塞坐封和持久錨定的關(guān)鍵部件，橋塞受壓時卡瓦承受上部壓力，因此需要高強(qiáng)度、低溶解率的材料，以達(dá)到支撐橋塞的作用。全金屬橋塞卡瓦和金屬密封環(huán)相連，卡瓦撐開后的狀態(tài)對金屬密封環(huán)影響很大，若撐開后各卡瓦塊不在同一平面，存在上下錯位現(xiàn)象，金屬密封環(huán)也會受其影響出現(xiàn)軸向錯位，甚至扭曲變形。金屬密封環(huán)與膠筒不同，輕微變形就會造成與套管內(nèi)壁密封不嚴(yán)，產(chǎn)生滲漏，因此對卡瓦撐開形態(tài)的要求很高。

高溫卡瓦采用整體式結(jié)構(gòu)，用線切割技術(shù)加工成彼此相連的部分，并在線切割底端設(shè)置應(yīng)力孔。這種結(jié)構(gòu)撐開時各卡瓦塊仍彼此相連為一體，會減小卡瓦塊間的錯位，而應(yīng)力孔和線切割縫會釋放應(yīng)力，避免卡瓦軸向斷裂。本文選擇的是表1中的4號材料作為卡瓦的加工材料，3號和5號材料雖然強(qiáng)度更大，但高溫下脆性也較大，卡瓦在坐封時會在線切割應(yīng)力孔處發(fā)生斷裂，增加卡瓦錯位風(fēng)險，影響橋塞密封效果。

3 高橋塞性能測試

3.1 耐溫承壓測試

參考《石油天然氣鉆采設(shè)備 可溶橋塞》（SY/T 7462-2019）標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)方法[10]，將橋塞坐封于5 1/2″套管內(nèi)，套管壁厚12.7mm，鋼級140V；坐封完成后將工裝升溫至150℃，打壓至70MPa，穩(wěn)壓24h，驗(yàn)證橋塞在高溫高壓條件下的承壓能力，24h內(nèi)壓力無突降為合格。橋塞承壓結(jié)果曲線見圖3。

由上圖曲線可知，橋塞在150℃承壓70MPa，穩(wěn)壓24h，壓降2.45MPa，未出現(xiàn)壓力陡降，滿足耐溫耐壓要求。

3.2 充分溶解測試

將承壓后的橋塞-套管短節(jié)工裝浸泡在恒溫水浴箱內(nèi)，液體介質(zhì)為1%KCl溶液，設(shè)置溫度99℃，每24h檢查橋塞的溶解狀態(tài)，稱取剩余重量，直至橋塞充分溶解。表2為橋塞溶解測試情況記錄。

表2 橋塞溶解試驗(yàn)記錄表

橋塞初始重量為2 218g，浸泡96h后，鎂鋁合金部分完全溶解，不溶物為卡瓦齒，不溶物重量為85g，不溶物質(zhì)量占可溶橋塞總質(zhì)量的比例為3.8%，滿足SY/T 7462-2019標(biāo)準(zhǔn)不溶物重量≤5%的要求。

橋塞通過室內(nèi)評價測試，表明高溫全金屬可溶橋塞達(dá)到現(xiàn)場應(yīng)用要求，可進(jìn)行現(xiàn)場使用。

4 井上應(yīng)用情況

高溫全金屬可溶橋塞于2022年7月在川渝頁巖氣區(qū)塊足206井區(qū)某平臺進(jìn)行了應(yīng)用，該平臺為兩口井拉鏈?zhǔn)綁毫炎鳂I(yè)，兩口井完鉆井深均超過6900m，垂深超過4300m，地層溫度超過135℃，共分78段。兩口井采用電纜泵送橋塞分簇射孔壓裂工藝，壓裂液為清水和返排液的混合液體，礦化度5000～10000×10-6，施工壓力105～115MPa，壓裂排量18～20m3/min，單段液量2500～3000m3。橋塞入井至壓裂最長間隔時間26h，壓裂期間無異常壓力陡降現(xiàn)象。本平臺共下入橋塞76支，滿足了壓裂施工要求。兩口井壓后即進(jìn)行通井鉆塞作業(yè)，超過80%的橋塞無遇阻顯示，直接通過；剩余橋塞均輕微鉆磨通過，最大鉆磨時間12min，平均鉆磨時間4.1min。

截止2023年6月，該高溫全金屬可溶橋塞15井次，入井橋塞超過500只，橋塞正常施工率100%，高溫全金屬可溶橋塞的大量整井應(yīng)用，充分說明該橋塞性能穩(wěn)定可靠，完全滿足高溫井況的應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

（1）本文對可溶鎂鋁合金材料進(jìn)行了高溫溶解試驗(yàn)和力學(xué)拉伸試驗(yàn)，優(yōu)選出了適用高溫環(huán)境特點(diǎn)的材料。

（2）本文針對高溫鎂鋁合金材料的性能特征，對全金屬可溶橋塞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，制造出了滿足設(shè)計(jì)要求的高溫全金屬可溶橋塞。

（3）本文根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，模擬現(xiàn)場井筒情況，對高溫全金屬可溶橋塞進(jìn)行了室內(nèi)測試和評價，橋塞的高溫承壓和溶解性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）高溫全金屬可溶橋塞在川渝頁巖氣區(qū)塊進(jìn)行了大量應(yīng)用，正常施工率100%，橋塞承壓穩(wěn)定可靠，壓后溶解性能優(yōu)良，滿足現(xiàn)場施工的要求。