可溶桥塞试验研究及现场应用

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石油机械
CHINA PETROLEUM MACHINERY2018年第46卷第7期
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可溶桥塞试验研究及现场应用
杨小城李俊邹刚
(中石化石油机械股份有限公司）
摘要：为了解决水平井分段压裂后连续管钻磨和碎屑打捞等问题，研制了一种以镁合金材料 为主的全可溶桥塞。

通过对桥塞施工工艺分析，引入新型无干预化作业工具—
—趾端滑套。

根据 可溶桥塞的结构和工作原理，对关键零部件进行了溶解测试，对可溶桥塞总成进行了室内试验与 现场应用。

现场应用结果表明：可溶桥塞可以在温度120^下承压差70 MPa,而且在120^、氯 离子质量分数1%溶液中10 d可以完全溶解，验证了可溶桥塞的可行性。

所得结论可为可溶桥塞 设计提供技术参数，结合新工艺完全消除连续管作业，并帮助用户降低使用风险和作业成本。

关键词：水平井；连续管；可溶桥塞；压裂；趾端滑套
中图分类号：TE934 文献标识码：A doi:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2018.07.018 Dissolvable Bridge Plug Test and Field Application
Yang Xiaocheng Li Jun Zou Gang
{Petroleum Machinery Co., Ltd. , SINOPEC)
Abstract ：To eliminate the need of coiled tubing milling and debris fishing after multistage fracturing in hori-zontal wells，a fully dissolvable bridge plug made by magnesium alloy material was developed.Through the analysis of the dissolvable bridge plug operation,a new type of non-interventional tool—the toe end sliding sleeve—was in­troduced.According to the structure and working principle of the dissolvable bridge plug,the key components were tested for dissolution.Experimental study and field application have been conducted on the dissolvable bridge plug. Field application results showed that the dissolvable bridging plug can withstand a pressure difference of70 MPa at a temperature of120 T l,and can be completely dissolved in a 1%chloride ion solution at 120 Tl in 10 days, which verifies the feasibility of the dissolvable bridging plug.The study could provide important technical parame­ters for the design and application of bridge plug.By means of the new technology,the coiled tubing operation could be completely eliminated,helping to reduce the operating risks and costs.
Keywords：horizontal well；coiled tubing；dissolvable bridge plug；fracturing；toe end sliding sleeve
0引言
采用复合桥塞射孔联座可以一趟完成桥塞坐封 和地层射孔，施工速度快，是目前国内外进行页岩 气藏开发使用的主体储层改造技术。

通过大量的攻 关试验，复合桥塞已经实现了国产化[1_2]。

采用复合桥塞压裂后，必须采用连续管把桥塞 全部磨铣掉[3_4]才能进行生产测井。

复合桥塞的国产化虽然降低了工具成本，但是连续管钻磨成本无 法避免。

而全可溶桥塞的出现，不仅可以节省连续 管钻磨成本，还可以避免连续管钻塞产生的风险。

目前，国外已经推广应用该类技术，贝克休斯公司
的可溶桥塞在北美页岩气开发中成功应用超过500
例。

国内市场也主要以进口 Baker Hughes和Mag­num公司的可溶桥塞为主。

笔者研制了一种以镁合金材料为主的全可溶桥 塞，并对可溶桥塞的关键零部件进行了溶解测试和
*基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”之子课题“长水平井分段压裂工具研制”（2016ZX05038-005)。

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室内承压性能试验，同时通过产品的现场应用情 况，撑握了可溶桥塞的相关特性，为下一步深层页 岩气的开发提供了技术支撑。

1技术分析
1.1结构
可溶桥塞作为最新的分段压裂工具，主要由中 心管、可溶球、滑套、胶筒、背圈、锁环、锥体、卡瓦和引鞋等组成，如图1所示。

卡瓦和橡胶全部 都可以溶解，其中金属部分全部采用可溶的镁合金 制成，橡胶部分采用可溶胶制成。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 109 867 12
1一插杆;2—中心管;3—丢手销钉;4一可溶球；
5—剪切销钉；6—滑套；7—胶筒；8—背圈；
9—锁环背圈；10—0形圈；11 —锁环;12—维体。

图1可溶桥塞结构示意图
Fig. 1 Structural schematic of dissolvable bridge plug
1.2工作原理
当泵送可溶桥塞到预定层位后，电缆坐封工具 传递推力到坐封套，推动滑套，挤压胶筒和背圈，同时带动锥体挤压卡瓦。

当达到卡瓦的破裂压力 时，卡瓦向外移动，咬合套管，锥体与卡瓦形成自 锁，胶筒鼓涨与套管内壁贴合，完成桥塞的丢手坐 封。

当需要对桥塞上部产层压裂时，投球泵送到中 心管上部的内圆锥面上，密封后进行压裂。

当措施 完成后，在含有一定浓度电解质溶液的地层返排液 中，一定的时间内可以溶解完，留出井筒全通径供 后续生产用。

1.3主要技术参数
可溶桥塞外径104 mm，长度500 mm，耐温 150 t，耐压70 MPa。

桥塞适用于0139. 7 mm套 管，套管内径115 mm。

桥塞在含C r等电解质溶液 中7〜10 d可完全溶解。

1.4施工工艺
可溶桥塞的施工工艺同复合桥塞一样，采用连 续管传输定向射孔，不同之处在于，为了确保压裂 施工顺利完成，尽量缩短可溶球作业前在井底的停 留时间，可溶桥塞一般需要在压裂前投球。

可溶桥塞的研发初衷就是消除连续管钻塞以 及在深井、超深井中使用，若连续管长度无法达 到井的深度，则无法完成第1段的水力射孔。

如果要在超深井中全井使用可溶桥塞[5_6]，就需要 引入一个新的工具—
—趾端滑套[M]。

趾端滑套 与套管底部连接一起下入井中进行固井。

该工具 与套管内径一致，工具开启可以延时30 min,可 以在这个时间内完成套管试压测试，不会因为工 具开启的压力超过套管测试压力而导致套管变形，同时也减少了连续管水力射孔。

可溶桥塞与 趾端滑套配合使用，对井深无限制，还可消除连 续管作业成本与风险。

2性能试验
2.1承压性能测试
以0139. 7mm (5. 5 in)可溶桥塞为研究对象，配套直径44. 5 m m的可溶球。

首先在地面通过液 压坐封工具将可溶桥塞坐封到套管内，再利用桥塞 试验装置进行加热以及承压测试。

以NaCl质量分 数1%的溶液为介质，通过试验装置加热到98 t，加压至70 MPa并承压15 min，隔4 h加压1次。

试验结果显示可溶桥塞浸泡12 h，仍然可以承压 70 MPa,稳压15 min，泄漏小于1%。

浸泡16 h 后，可溶桥塞还可以加压至70 MPa,但是会有持 续的压力泄漏。

2.2溶解性能测试
采用恒温浸泡的方法测试可溶球和可溶桥塞本 体的溶解速度。

分别对2种材质取样，样品尺寸: 20 mm X 20 mm X 20 mm，可溶球材质密度1.834 g/cm3，本体材质密度1.925 g/cm3，同样浸泡在 NaCl质量分数1%的溶液中进行降解试验，浸泡温 度为98 1。

每隔2 h烘干样品，采用精密仪器测 量样品剩余质量，直至样品完全降解。

可溶桥塞的 金属部分以Mg合金为主，在氯离子的作用下镁与 水发生化学反应生成粉末状的Mg(0H)2，即有：
C1—
2H20+Mg—^Mg(0H)2|+H2t(1)可溶球和可溶桥塞本体的溶解速度从图2中可 以看出。

可溶球的溶解速度要快一些，这正好符合 可溶桥塞的使用特点：可溶球先溶解，留出桥塞的 通道供返排液流动，加快桥塞总体溶解。

在同样的溶解条件下，同样材质的试样大小不 同，溶解时间也不会相同。

由计算可知，可溶球的 溶解速率比桥塞本体的溶解速率更快一些。

模拟现场使用条件，返排液中NaCl的质量分 数为1%，恒温98 1，分别将卡瓦、胶筒以及可
溶桥塞总成浸泡在返排液中。

卡瓦及胶筒溶解前、
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可溶桥塞在98 I 、NaCl 质量分数为1%的溶 液中承压可以达到70 MPa 。

压裂球45 h 完全溶解，
卡瓦65 h 完全溶解，本体各部件40〜106 h 完全溶 解，胶筒在205 h 开始溶解，245 h 完全溶解。

试验结果表明可溶桥塞满足各项设计技术要 求，具备现场应用条件。

3
现场应用及效果
3. 1
WY 196-1井基本情况
可溶桥塞于2017年9月在WY 196平台进行了
应用。

WY 196- 1井井深5 905 m ，井底井斜 87.36°，垂深 3 711.56 m ，闭合距 3 069.51 m ，射孔及压裂段22段，该井地层温度118 t ，返排液 氯根离子质量浓度6 702〜10 054 mg /L 。

油层套管外径139. 7 mm ，内径115 mm ，钢级
P 110。

根据工艺要求，该井前10段采用可溶桥塞
作为分段改造工具。

由于储层埋深较深，施工压力 高，压裂后钻磨桥塞难度较大，所以采用可溶桥塞 +分簇射孔联作分段压裂工艺。

3.2施工情况
施工排量8. 5〜17. 0 m 3/min ，施工压力58〜90
MPa 。

施工时，第1段采用连续管传输射孔。

第2
段泵送射孔枪及第1个可溶桥塞至设计井深，泵送 速度控制在60 m /min 。

对桥塞点火坐封后，起电 缆至设计井深进行分簇射孔，射孔枪起出井口，在 压裂施工开始前，投直径44. 5 mm 的可溶球，以2
m 3/m in 的排量栗球，球快入座时（预计还有5〜10 m 3液体）排量降到1 m 3/min ，入座曲线如图6所
示。

球入座时，泵压会骤增。

球入座坐封后进行第 2段压裂，压裂曲线如图7所示。

第3〜11段重复 第2段的压裂流程。

100
500 10 20 30 40 50
时间
/h
图2
可溶材质样品溶解曲线
Fig. 2 Dissolution curve of dissolvable material sample
后对比分别如图3和图4所示。

从图3可以看出， 该卡瓦已经全部溶解，只留下卡瓦表面的一些易碎 镀层。

从图4可以看出，可溶胶筒也完全溶解，变 成了泥状物。

将可溶桥塞整体浸泡在桥塞试验装置 中，返排液中NaCl 的质量分数为1%，恒温98 t ， 桥塞溶解曲线如图5所示。

由图可知，接近10 d 桥塞全部溶解。

图3
卡瓦溶解前、后对比
Fig. 3 Comparison of slip before and after dissolution
图4
胶筒溶解前、后对比
Fig. 4 Comparison of rubber sleeve before and after dissolution
桥塞本体
压裂完工后，未钻磨桥塞即开始排液测试。

套
6
7
8
9 10
时间
/d
图5
可溶桥塞在返排液中的溶解曲线
Fig. 5 Dissolution curve of dissolvable bridging
plug in flowback fluid
油压
I
f .
^
_______
丈
f
排量/
广
10
20
30
40 50
时间
/min
图6
可溶球入座曲线
Fig. 6 Pressure curve of dissolvable frac
ball entering the ball seat
(
71 :
s ) /
酬筮
o
o
o c
4 3 2 1
o o o o
8 6 4 2M s /m s
蛩
/酬起
s /_
^
2018年第46卷第7期杨小城等：可溶桥塞试验研究及现场应用—97 —
100
80
c d
§ 60
20 0
30
60
90
120
150 180 210
时间
/min
图7
可溶桥塞压裂曲线
Fig. 7 Fracturing curve using dissolvable bridge plug
管米用06 mm 油嘴控制放喷，井口压力30 MPa 左 右，返排l i d 后，累计液量1 846.62 m 3,返排率4. 18%，返出液氯根质量浓度10 612 mg /L ，累计 产气10万
m 3。

下钻塞管柱：平底磨鞋+螺杆马达+
震击器+液压丢手+单流阀+连接器+连续管。

先磨
掉上端的复合桥塞，打捞复合碎屑。

连续管再下至
井深2 030 m ，电动压裂泵开泵配合下钻，扫塞至
井深5 820 m ，没有遇阻，验证了可溶桥塞已经完 全溶解，井筒具有良好的连通性，桥塞无需钻磨， 该井即可投入生产。

4结论与建议
(1) 研制的全可溶桥塞在98 t 、NaCl 质量分
数1%的溶液中承压可以达到70 MPa ,在该溶液中
7〜10 d 可以完全溶解，满足设计要求。

(2) 可溶桥塞在现场单井应用10套，利用返 排液在11 d 内完全溶解，达到现场应用要求。

(3) 可溶球溶解速度较本体溶解速度快，建 议在压裂施工前投球。

(4) 今后长水平井分段趋势是全井使用可溶
桥塞与趾端滑套，可避免连续管作业的成本与
风险。

(5) 建议开发低温可溶桥塞，温度在30〜60
T ，以适应东北及俄罗斯低温市场[1()]。

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第一作者简介：杨小城，工程师，生于1984年，2011
年毕业于太原科技大学机械设计及理论专业，获硕士学位， 现从事井下工具研发与应用工作。

地址：（430024)湖北省 荆州市。

电话：（0716)
8020393。

E-mail: yangxC129@
163. com 〇
收稿日期：2018-02-09
(本文编辑刘峰
）。