摘 要：橋塞分段壓裂技術(shù)是目前國內(nèi)外非常規(guī)油氣藏增產(chǎn)改造的主體技術(shù)之一，具有分段壓裂層數(shù)不受限制、能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模大排量體積壓裂、橋塞鉆銑完后井筒暢通等優(yōu)勢，其技術(shù)核心是橋塞工具。但此前該技術(shù)和速鉆橋塞均需進(jìn)口，價(jià)格高且影響非常規(guī)氣藏工業(yè)化開發(fā)的周期。通過力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)選和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，成功開發(fā)出了具備高鉆磨效率和高密封承壓能力的新型速鉆復(fù)合橋塞，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料生產(chǎn)成型、橋塞設(shè)計(jì)加工國產(chǎn)化。新型速鉆復(fù)合橋塞主要包括丟手機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)，其中丟手機(jī)構(gòu)通過剪切銷釘控制坐封工具與橋塞丟手；錨定機(jī)構(gòu)具有芯軸防轉(zhuǎn)動(dòng)和防下移功能，可有效提高鉆磨效率；密封單元和保護(hù)套采用弧面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能提高密封承壓能力。其主要部件均采用特殊增強(qiáng)材料和樹脂基體復(fù)合而成，并經(jīng)過纏繞和模壓等工藝加工成型，材料強(qiáng)度高、可鉆性好、鉆屑易返排。新型速鉆復(fù)合橋塞已現(xiàn)場應(yīng)用20余井次，動(dòng)作靈活、密封可靠、鉆磨效率高，能夠滿足非常規(guī)氣藏儲(chǔ)層改造的要求。
關(guān)鍵詞：復(fù)合 速鉆橋塞 模壓成型 纏繞成型 鉆磨 分段壓裂X-具 國產(chǎn)化 頁巖氣
Development and application of a new fast-drilling composite plug
Abstract：As one of the main unconventional reservoir stimulation technologies，bridge plug staged fracturing is widely used in the world at present．With the bridge plug as the key tool，this fracturing technology has the advantage of unlimited fracturing stage，large scale and high rate SRV fracturing，and smooth flow in wellbore after drilling and milling．Unfortunately，the technology and fast drilling bridge plug need to be imported at a high price thus affecting the cycle of commercial development of unconventional gas reservoirs．A new fast drilling composite bridge plug has been developed after mechanical analysis，structure and material optimization，and experimental evaluation，thus significantly enhancing the efficiency of drilling and milling and loading capacity，and making localized the production and molding of this composite material as well as the plug design and manufacturing．This new fast drilling plug includes releasing，anchoring and sealing gadgets．The releasing gadget controls sitting tool and plug releasing by a shear pin．The anchoring gadget can prevent mandrel rotation and moving down，thus enhancing the drilling and milling efficiency．The loading capacity of sealing element and protective envelope is improved by adopting an arc surface design．The main elements are all composed of a special reinforced material and resin matrix，and shaped through filament winding and cornpression molding．Such a design brings about high drillability and easy flowback of drilling cuttings．The application of this new plug to more than 20 wells has proven that it is flexible in operation，reliable in sealing and high in drilling and milling efficiency，satisfying the requirement of unconventional reservoir stimulation．
Keywords：composite，fast drilling bridge plug，formed by compression molding，formed by filament winding，drilling and milling，staged fracturing，tool，shale gas
速鉆橋塞分段壓裂技術(shù)因其不受分段壓裂層數(shù)限制，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模大排量體積壓裂，橋塞鉆銑完后可保證井筒暢通，是目前國內(nèi)外非常規(guī)油氣藏增產(chǎn)改造的主體技術(shù)。主要工藝是通過連續(xù)油管或電纜加液力泵送橋塞至目標(biāo)位置，然后利用坐封、射孔，再進(jìn)行套管壓裂，依次類推，坐封橋塞、射孔、壓裂聯(lián)作，最后下入磨銑工具一次性鉆除各級(jí)橋塞，實(shí)現(xiàn)完井投產(chǎn)。
目前北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)井普遍采用該技術(shù)進(jìn)行多級(jí)分段壓裂改造，國內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層改造也主要采用復(fù)合橋塞分段壓裂[1-2]。速鉆復(fù)合橋塞是該技術(shù)的關(guān)鍵工具，國外復(fù)合材料生產(chǎn)水平先進(jìn)，速鉆復(fù)合橋塞技術(shù)成熟，處于技術(shù)壟斷地位；國內(nèi)對(duì)速鉆復(fù)合橋塞研究起步晚，橋塞生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟。為滿足國內(nèi)非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)需要，自主開發(fā)出了高鉆磨效率和高密封承壓能力的新型速鉆復(fù)合橋塞，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料生產(chǎn)成型、橋塞設(shè)訓(xùn)‘加工完全國產(chǎn)化。
1 新型速鉆復(fù)合橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 結(jié)構(gòu)及原理
速鉆橋塞包括丟手機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)，主要由丟手接頭、防轉(zhuǎn)帽、推筒、整體式卡瓦、錐體、保護(hù)套、外膠筒、中膠筒、防轉(zhuǎn)接頭、泵送環(huán)等零件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
丟手機(jī)構(gòu)包括剪切銷釘和丟手接頭，當(dāng)橋塞坐封后，通過剪切銷釘實(shí)現(xiàn)坐封工具與橋塞丟手、釋放橋塞。錨定機(jī)構(gòu)包括卡瓦、錐體、箍圈、擋環(huán)及定位銷釘，主要功能是坐封時(shí)錐體脹破卡瓦，將橋塞錨定在預(yù)定的套管內(nèi)壁上，為橋塞定位提供足夠的軸向錨定力，為膠筒提供鎖定功能，進(jìn)而為橋塞密封提供保障。密封機(jī)構(gòu)由上中下3個(gè)膠筒和保護(hù)套構(gòu)成，主要功能是在外力的擠壓下膠筒產(chǎn)生形變封隔套管環(huán)空，固定式和活動(dòng)式肩部保護(hù)組件通過外力擠壓產(chǎn)生徑向變形為膠筒提供肩部保護(hù)作用[3]，借此提高膠筒的密封性能，實(shí)現(xiàn)橋塞的高壓密封能力。
1．2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
該新型復(fù)合橋塞除了卡瓦及密封元件外，其余主要部件均采用復(fù)合材料制成，其強(qiáng)度、耐壓耐溫與同類型的金屬橋塞相當(dāng)，且其可鉆性強(qiáng)，磨銑后產(chǎn)生的碎屑由于密度小，容易循環(huán)帶出地面，克服了磨銑普通橋塞時(shí)鉆磨困難、容易卡鉆等困難[4-5]。
新型橋塞具有芯軸防轉(zhuǎn)動(dòng)和防下移結(jié)構(gòu)，有效提高了鉆磨效率。密封單元和保護(hù)套采用弧面結(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。
2 復(fù)合材料研究
根據(jù)橋塞承高壓易鉆磨的使用要求，選擇特殊增強(qiáng)材料和樹脂基體生產(chǎn)復(fù)合材料，使該復(fù)合材料具有強(qiáng)度高，易鉆磨的特性[6]。經(jīng)特殊工藝成型，這種復(fù)合材料的軸向抗壓強(qiáng)度可在500～800MPa。橋塞中心管、防轉(zhuǎn)帽、擋環(huán)、推筒、錐體、膠筒座均是采用該復(fù)合材料制成。
2．1 增強(qiáng)材料
碳纖維是制造復(fù)合增強(qiáng)材料的重要組分之一，具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性。該碳纖維不僅抗拉強(qiáng)度大，而且耐腐蝕性能比較好，能夠在壓裂或者酸化井的強(qiáng)酸性環(huán)境中使用，且能達(dá)到基本性能穩(wěn)定。同時(shí)該材料具有相對(duì)密度小、重量輕、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，滿足了橋塞要求易于泵送、在井底承受高壓的要求。該材料強(qiáng)度高，脆性大，易于鉆磨。
2．2 樹脂基體
復(fù)合材料的樹脂基體是由人工合成的高分子化合物，在復(fù)合材料成型過程中，樹脂基體經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，固定纖維位置、保護(hù)纖維免受外界環(huán)境的侵蝕，同時(shí)與增強(qiáng)纖維復(fù)合成具有一定形狀的整體，便于加工成橋塞需要的形狀[7]。當(dāng)橋塞在井底承受批力或者壓力時(shí)，外力作用下樹脂基體在纖維之間傳遞載荷并使載荷在復(fù)合材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)均勻分布，提高了橋塞復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。
3 復(fù)合材料成型工藝
針對(duì)橋塞各零部件的不同受力狀況，采用了纏繞成型和模壓成型兩種不同的成型工藝。對(duì)于中心管、防轉(zhuǎn)帽等受拉部件，采用纏繞成型工藝；而推筒、錐體、保護(hù)套等受壓部件則采用模壓成型工藝[8]。部分成型設(shè)備如圖2、3所示。
3．1 纏繞成型工藝
纏繞成型是在控制纖維張力和預(yù)定線型的條件下，利用了浸膠機(jī)、纏繞機(jī)等設(shè)備將連續(xù)的纖維粗紗或布帶浸漬了特殊樹脂膠液后纏繞在相應(yīng)制品內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，使用固化爐控制升溫率加熱至設(shè)定溫度，使復(fù)合材料固化成要求的形狀。
3．2 模壓成型工藝
模壓成型工藝是將預(yù)混料或預(yù)浸料經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。把浸過膠的高強(qiáng)纖維布經(jīng)過烘爐烘至半干，檢測其含膠量。若含膠量不符合要求，則調(diào)整膠輥增加或減少含膠量。把檢測合格的纖維布裁成布片，裁片數(shù)量按照制品厚度與單層厚度計(jì)算所得，通常厚度比理論厚度增加0.5mm為合適。調(diào)整纖維布鋪層及鋼板，推入模壓機(jī)模壓成型。
4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
新型速鉆復(fù)合橋塞、配套工具及試驗(yàn)裝置試制加工后，完成了膠筒耐溫實(shí)驗(yàn)、卡瓦破碎實(shí)驗(yàn)、高溫密封承壓實(shí)驗(yàn)和鉆磨實(shí)驗(yàn)等室內(nèi)結(jié)構(gòu)性能測試實(shí)驗(yàn)65套次，新型速鉆復(fù)合橋塞達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
4．1 膠筒高溫實(shí)驗(yàn)
將新型膠筒浸泡在油基泥漿中加熱到l50℃、保溫168h后，測得膠筒高溫時(shí)比試驗(yàn)前外徑增加1.2mm，內(nèi)徑增加0.8mm，長度增加2.1mm。冷卻后膠筒比試驗(yàn)前外徑增加0.3mm，內(nèi)徑增加0.4mm，長度增加0.5mm。膠筒泥漿環(huán)境中熱變形量小，符合要求。
4．2 卡瓦脹破實(shí)驗(yàn)
將新型復(fù)合橋塞錐體錐入卡瓦，放在拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上(如圖4所示)，拉壓機(jī)向錐體緩慢垂直加載直到卡瓦破裂，測試卡瓦破裂所需載荷[8]。經(jīng)反復(fù)10次測試實(shí)驗(yàn)，卡瓦沿應(yīng)力槽破裂，破裂加壓載荷為25～30kN。
4．3 高溫密封承壓實(shí)驗(yàn)
將橋塞與液壓坐封工具按要求連接好，置入試驗(yàn)套管內(nèi)的預(yù)定位置。堵塞試驗(yàn)套管兩端口，套管內(nèi)注滿試驗(yàn)介質(zhì)，將介質(zhì)加熱至l50℃并保溫5h；再向坐封工具加壓，憋壓至28 MPa時(shí)橋塞完成坐封，繼續(xù)升至35MPa成功丟手；然后，分別從試驗(yàn)套管兩端試壓70MPa穩(wěn)壓l80min，壓力不降。
4．4 鉆磨實(shí)驗(yàn)
將坐封有新型速鉆復(fù)合橋塞的試驗(yàn)套管固定于專用鉆磨試驗(yàn)架上，如圖5所示，用Æ73mm螺桿馬達(dá)帶專用磨鞋，水泥車泵注清水驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)，進(jìn)行了5套橋塞鉆磨實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
5 現(xiàn)場應(yīng)用
自主研制生產(chǎn)的新型速鉆復(fù)合橋塞已成功應(yīng)用已20余井次，橋塞動(dòng)作靈活，密封可靠，鉆磨效率高，表2為其中5口井的施工參數(shù)，下面針對(duì)某一實(shí)例井的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。
5．1 實(shí)例井基本情況
實(shí)例井是l口水平開發(fā)井，完鉆井深3425m，入靶點(diǎn)井深2535m，人工井底深度3405m，水平段總長890m，地層壓力為38.4MPa，地層溫度為88℃，儲(chǔ)層巖性為灰白色細(xì)砂巖。各施工井段主要儲(chǔ)層參數(shù)如表3所示。采用新型速鉆復(fù)合橋塞分8段壓裂，施工注入方式為Æ114.3mm光套管注入。
5．2 施工步驟
1)連續(xù)油管連接模擬通井管柱通井，通井后起出通井規(guī)。
2)安裝射孔槍，連續(xù)油管送射孔槍，對(duì)第一施工井段射孔，射孔后起出射孔槍。
3)采用光套管注入方式進(jìn)行第l段加砂壓裂。
4)第1段壓裂施工結(jié)束后，利用電纜下入復(fù)合橋塞坐封射孔聯(lián)作管串。
5)速鉆復(fù)合橋塞到達(dá)預(yù)定深度，校深定位，點(diǎn)火坐封速鉆復(fù)合橋塞暫堵第1施工井段。
6)坐封工具與速鉆復(fù)合橋塞丟手后上提射孔槍至第2施工段，校深定位后進(jìn)行射孔，起出坐封工具和射孔管串，檢查射孔槍發(fā)射情況。
7)采用光套管注入方式進(jìn)行第2段加砂壓裂。
8)重復(fù)4)～7)步驟，完成第3～8段加砂壓裂施工。
9)壓裂施工結(jié)束，拆壓裂井口，安裝連續(xù)油管鉆磨設(shè)備，鉆磨所有復(fù)合橋塞。
10)鉆磨完所有復(fù)合橋塞后進(jìn)行放噴、排液及測試投產(chǎn)。
5．3 壓裂施工參數(shù)
該井8段壓裂施工共注入地層液體總量3949.44m3，加入陶粒207.93m3，最高施工壓力80MPa，最高砂濃度394kg／m3，最大施工排量9.8m3／min。各段壓裂施工參數(shù)如表4所示。
5．4 鉆磨橋塞
壓裂施工結(jié)束后，用連續(xù)油管帶鉆磨工具串對(duì)入井的復(fù)合橋塞進(jìn)行鉆磨，鉆磨參數(shù)如表5所示。
6 結(jié)論
1)該新型橋塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大創(chuàng)新性，提高了橋塞的密封可靠性和易鉆性。
2)根據(jù)橋塞結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析，結(jié)合復(fù)合材料特性及橋塞各部件的不同使用要求，完成了復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能及鉆磨性能的研究，使新型橋塞具有強(qiáng)度高、易鉆磨的特點(diǎn)。
3)根據(jù)橋塞零部件的不同受力狀況，制定了相應(yīng)的復(fù)合材料成型工藝路線，形成了模壓成型和纏繞成型兩條復(fù)合材料生產(chǎn)線。
4)經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)證明：自主研制生產(chǎn)的橋塞動(dòng)作靈活，密封可靠，鉆磨效率高，能夠滿足非常規(guī)氣藏儲(chǔ)層改造的要求。
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本文作者：葉登勝 李斌 周正 潘勇 尹叢彬
作者單位：中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司
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