高压复合桥塞的设计和应用实践

高压复合桥塞的设计和应用实践
【摘要】利用高压复合材料制作桥塞代替金属桥塞，其独特的材料设计容易钻磨，磨掉的碎屑轻小，容易冲出，防止卡钻。

特别适用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水作业，克服了金属桥塞易卡钻、钻磨困难及钻磨时间长等缺点。

【关键词】高压复合材料；结构原理设计；桥塞；封堵High pressure composite bridge plug design and practical application
Zhang Wen-an，Yang Ping，Qiao Jun-hua
（Xian Fang Yuan Energy Engineering Co.，Ltd Xi'an Shanxi 710000）
【Abstract】Pick to take advantage of high voltage composite bridge plug instead of the metal bridge plug，its unique material design easy to drill grinding，grinding out light and small debris，easy to rush out，prevent sticking.Especially suitable for deviated well and horizontal well layered fracturing，acidizing，water plugging operation，overcome the goldBelongs to the bridge plug is sticking，drill grinding shortcomings such as difficult and drill grinding time is long.
【Key words】High pressure composite materials；Principle of structure design；Bridge plug block off
1. 前言
在油气井测试过程中，为正确评价认识目的层，当遇有多层系地层时，各油气水层间存在差异需要进行分层测试，分层进行增产措施，生产井进行多层完井，暂时封层等，都需要使用桥堵分层工具，如桥塞等。

但目前常用的金属桥塞存在易卡钻、钻铣困难等缺点，特别是用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水等工艺，由于受其特殊井身结构的影响，这类井在解除金属桥堵进行磨铣时，易发生卡钻等问题，出现问题后比直井处理起来要复杂，为解决这一问题，研制一种新型工具――高压复合桥塞。

利用高压复合材料制造桥塞替代金属桥塞，复合材料容易钻铣，磨掉的碎屑轻、小更容易冲出，不会卡钻，克服了金属桥塞易卡钻、钻铣困难等缺点。

2. 复合桥塞的设计结构原理
复合桥塞的主要部件有密封部件和锚定部件组成；通过工具的力量，下压桥塞外部的楔体和卡瓦，上提心轴，产生相对位移压缩胶筒，使桥塞完成座封和密封以及丢手动作。

2.1 结构设计。

2.1.1 设计产品的性能指标。

桥塞外径：51 2″
工作压力：正向60MPa；反向40MPa
工作温度：120°
复合桥塞能与现有的火药工具和液压工具互相配接，并能可靠地座封和密封在套管内。

产品性能达到国内先进水平。

2.1.2 结构设计。

（1）密封：根据现有桥塞的密封胶筒性能，采用氟胶胶筒进行密封，完全能满足设计要求；
（2）主体材料：桥塞主体材料采用高性能铝材和耐高压高温复合材料制作，充分考虑了H2S、CO和泥浆腐蚀；
（3）工作温度：所有材料在120°形变不影响桥塞性能；
（4）工作原理：复合桥塞和投放工具下至指定位置点火后，桥塞在工具的带动下，相对于心轴和外壳做相对运动，外压内抽，压缩密封胶筒和外卡，在释放环被拉断的同时，自锁锁环同步锁定位置，防止胶筒和锁环反向运动，达到座封密封效果。

复合桥塞设计结构图（见图1）。

图1 复合桥塞设计结构图
2.1.3 重点结构的设计数据确定。

设计数据的确定是需要一系列实验数据做支撑的，下边简单介绍复合桥塞的关键部位设计数据的确定过程。

（1）胶筒。

A.胶筒的设计数据主要有2个方面，一是耐温，二是耐压；这2方面根据可取式桥塞和可钻式桥
塞多年来的施工数据分析，可以确定氟胶完全能够满足设计要求。

B.复合桥塞胶筒压缩力的大小是复合桥塞锚定、密封、丢手的基础。

准确测量胶筒的压缩力和压缩量是桥塞后续工作必要的基础；因此，在做了多次实验取得准确数据后，才进一步确定其他零部件的数据。

（2）锁环锁紧力。

A.锁紧机构是复合桥塞锚定、密封机构可靠性的关键装置，整体性能指标要符合以下设计要求：
锁环在心轴单向锯齿上顺齿下滑力为0.6T，反向锁紧力大于24T。

B.以上的设计要求数据是参考多年来可钻式桥塞和可取式桥塞的施工数据来确定的，根据实验
的结果，设计数据完全满足复合桥塞的设计要求。

以下是实验图片（见图2、图3）：
. （3）卡瓦破碎力。

A.复合桥塞卡瓦的破碎力一定要大于胶筒压缩力，这样才能保证胶筒的涨开贴合至套管内壁上以后卡瓦才破碎，提高座封质量，因此卡瓦的破碎力设计为4±0.5T，最终实验验证了设计数据满足桥塞要求。

以下是实验图片（见图4、
图5）：
B.卡瓦的破碎趋势也是影响锚定质量的一个重要因素，前期实验桥塞试压的时候就出现过因为卡瓦破裂趋势的原因导致桥塞在撑高压时桥塞偏心泄压；在多次验证和完善设计后，在桥塞楔体上加了导向破裂顶丝，解决了因为桥塞偏心使桥塞泄压的问题，也是为分析其他桥塞提供了一个很好的基础模型。

（4）释放环拉断力。

A.桥塞释放环的拉断力必须要大于胶筒完全压缩的力量，这是由结构决定的。

而胶筒完全压缩的力量为12.4T，考虑到中间的力量损失，最终确定释放环拉断力为15T；桥塞整体试验结果表明，设计数据完全满足桥塞座封和密封的要求。

以下是释放环拉断力实验图片（见图6）。

（5）整体实验。

2012年6月20日起在西安长庆石油科技有限责任公司开始做复合桥塞地面静水压力试验，试验4次，结果能满足桥塞设计要求，说明复合桥塞的设计是成功的。

以下是实验图片（见图7）。

2.2 工作原理。

复合桥塞和投放工具下至指定位置点火后，桥塞在工具的带动下，相对于心轴和外壳做相对运动，外压内抽，压缩密封胶筒和外卡，在释放环被拉断的同时，自锁锁环同步锁定位置，防止胶筒和锁环反向运动，达到座封密封效果。

图7
图8 现场施工图片
2.3 复合桥塞的特点。

（1）整个复合桥塞的卡瓦、心轴及少量的配件外，均采用类似硬性塑料的复合材料制成，其强度、耐温、耐压与同类型可钻式金属桥塞相当或优于金属桥塞，所以可钻性强，且磨铣后产生的碎屑不像金属碎屑那样容易沉淀，又由于密度较小，很容易循环带出井口，克服了磨铣普通桥塞的钻铣困难、沉淀卡钻等难题，特别是解决了斜井、水平井磨铣桥塞的困难。

可用普通三牙轮或平低磨鞋快速钻掉桥塞。

（2）复合桥塞与普通桥塞外体结构不同的是底部采用斜面结构，防止钻磨时本体旋转，使磨铣解除桥塞时变的更容易、更快捷。

从而可以在井下下入多个桥塞分割一系列层系。

适合于井内多重桥塞的使用和取出。

3. 复合桥塞的应用实践
3.1 2012年8月20日起在长庆油田安平30井进行泵入式桥塞射孔施工作业，此井共分10段，分10次进行作业。

从作业结果来看，复合桥塞能满足长庆油田试油工艺需要，可钻性高，成本与进口相比要低。

尤其能满足水平井大排量体积压裂工艺的需要，占井时间短，能缩短水平井试油周期，对提速和加快试油工作能起到关键作用。

水平井泵入式桥塞与分段多簇射孔工艺，能有效减轻试油作业队职工的劳动强
度。

水平井泵入式桥塞工艺应用是成功的。

3.2 安平30井复合桥塞施工数据如下（见表1）。

4. 总结复合桥塞的各个特点，有以下几点
（1）耐高温、撑高压，适合于分层试油试气、封堵、分层压裂等措施。

（2）投送方便，可用电缆、油管、连续油管投送，实用性及适用性强。

（3）复合材料容易钻磨，不卡钻，碎屑更容易返出井口，适合于斜井、水平井作业。

（4）斜面尾翼，可用于多层系多桥塞的桥射连作作业。

现场施工图片（见图8）。

参考文献
[1] 《油气井测试》；[国外可钻封隔器可钻材料的选用]《石油机械》；[直铣捞取小直径桥塞的研制与应用]《石油机械》。