劉 輝，喻 冰，楊 海，李 明，嚴(yán)俊濤

(1中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院2四川圣諾油氣工程技術(shù)服務(wù)有限公司)

可溶橋塞分段壓裂技術(shù)是頁巖氣藏開發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，該技術(shù)在壓裂時(shí)提供穩(wěn)定的層間封隔，壓裂完成后無需鉆磨橋塞，僅依靠井筒內(nèi)溫度及液體環(huán)境即可實(shí)現(xiàn)完全溶解，保證井筒全通徑，為后期生產(chǎn)測(cè)試提供有利條件［1－6］。可溶橋塞的錨定卡瓦有異于常見的鑄鐵卡瓦和復(fù)合材料卡瓦，除了需要提供可靠的套管錨定力和膠筒鎖緊力之外，還必須具備良好的溶解性能及返排能力。鑒于此，通過技術(shù)攻關(guān)，研制了適合于錨定在外徑139．7 mm、壁厚12．7 mm套管內(nèi)，與外徑103 mm橋塞匹配的分瓣式可溶材料鑲齒卡瓦，并開展了室內(nèi)測(cè)試。

一、可溶材料鑲齒卡瓦研制

1．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可溶材料鑲齒卡瓦設(shè)計(jì)為分瓣式結(jié)構(gòu)，由8片可溶材料載體、8塊小卡瓦及2個(gè)箍環(huán)組成，可溶載體尺寸為長(zhǎng)59 mm×寬32 mm×厚17 mm，小卡瓦尺寸為長(zhǎng)22 mm×寬16 mm×厚6．5 mm，箍環(huán)尺寸為外徑101 mm×內(nèi)徑96 mm×環(huán)高3．2 mm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2．工作原理

可溶材料鑲齒卡瓦套在橋塞中心管上，膠筒上下各匹配一個(gè)，利用坐封工具產(chǎn)生的推力擠壓卡瓦端面與中心管產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨著擠壓力的增大，箍環(huán)斷裂，卡瓦繼續(xù)沿著錐體滑道移動(dòng)，緊緊的錨定在套管內(nèi)壁上，最終達(dá)到支撐橋塞、鎖緊膠筒的效果。壓裂施工結(jié)束后，卡瓦在井下溫度及液體環(huán)境中逐漸溶解并隨返排液排出井筒。

圖1可溶材料鑲齒卡瓦結(jié)構(gòu)示意圖

3．材質(zhì)優(yōu)選

載體材質(zhì)選用鎂基合金可溶材料，能夠提供足夠支撐力的同時(shí)與橋塞本體具有一致的溶解性能;小卡瓦材質(zhì)的選擇首要考慮其與套管錨定的可靠性，為了把風(fēng)險(xiǎn)控制到最低，小卡瓦還應(yīng)同時(shí)具備返排性能和可打撈功能，因此小卡瓦材質(zhì)選用低密度高硬度磁性材料。

二、鑲齒卡瓦有限元分析

1．有限元模型建立

運(yùn)用有限元分析方法對(duì)鑲齒卡瓦錨定過程中的彈塑性接觸進(jìn)行了模擬計(jì)算，為了確保計(jì)算精確，采用三維全尺寸模型，模擬鑲齒卡瓦錨定過程，對(duì)錐體施加承載力50 MPa，對(duì)套管壁及中心桿施加位移約束［7－9］。計(jì)算模型包含單元63 051個(gè)，節(jié)點(diǎn)350 889個(gè)，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2有限元模型示意圖

2．有限元計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型的彈塑性接觸有限元分析結(jié)果，得到套管內(nèi)壁接觸力和接觸應(yīng)力分布云圖(圖3)?？ㄍ吲c套管接觸產(chǎn)生接觸力，從云圖中發(fā)現(xiàn)卡瓦張開后周向均勻分布，各卡瓦牙在套管內(nèi)壁產(chǎn)生的接觸力、接觸應(yīng)力大小也相當(dāng)接近，說明橋塞坐封后能很好居中，各方向均勻錨定，不會(huì)出現(xiàn)明顯薄弱點(diǎn)。套管內(nèi)壁與卡瓦接觸部位的最大接觸力、接觸應(yīng)力達(dá)到13．566 kN和227 MPa，表明卡瓦牙在套管內(nèi)壁錨定可靠。

圖3套管內(nèi)壁接觸力和接觸應(yīng)力分布云圖

三、鑲齒卡瓦實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了檢驗(yàn)可溶材料鑲齒卡瓦的錨定可靠性和溶解性能，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鑲齒卡瓦的運(yùn)動(dòng)、錨定和壓裂承載過程進(jìn)行了測(cè)試，利用電控恒溫水浴裝置提供井下高溫、流體條件，模擬了鑲齒卡瓦的溶解過程。

1．實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及工裝

GT－7001－LAS100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)作為本試驗(yàn)的動(dòng)力模塊，其最大驅(qū)動(dòng)推力1 000 kN，速度控制范圍0．01～70 mm/min，壓縮有效行程790 mm。試驗(yàn)用管材與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用套管一致，外徑139．7 mm，內(nèi)徑114．3 mm，長(zhǎng)度400 mm，鋼級(jí)BG125V?？扇芑w鑲齒卡瓦試驗(yàn)評(píng)價(jià)工裝由模擬中心管、支撐錐體和承力座組成，工裝示意圖如圖4所示。

圖4試驗(yàn)評(píng)價(jià)工裝示意圖

2．實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟

(1)按照?qǐng)D4所示的試驗(yàn)工裝連接好各部件，調(diào)節(jié)萬能材料試驗(yàn)機(jī)壓桿高度，將試驗(yàn)工裝置于萬能材料試驗(yàn)機(jī)基座上，調(diào)整工裝位置使其中心與壓桿中心軸線對(duì)齊。

(2)在試驗(yàn)工裝外部套入套管，應(yīng)盡量保證試驗(yàn)工裝與套管同心，調(diào)節(jié)萬能材料試驗(yàn)機(jī)壓桿高度，使其下端面與試驗(yàn)工裝上端面接觸。

(3)啟動(dòng)萬能材料試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)推力上限值150 kN(模擬橋塞坐封丟手值150 kN)，壓桿下行速度10 mm/min，確認(rèn)后開始進(jìn)行卡瓦錨定模擬試驗(yàn)。

(4)卡瓦錨定后，從套管底部取出承力座，釋放鑲齒卡瓦下部支撐力，重新調(diào)節(jié)壓桿高度，設(shè)置驅(qū)動(dòng)推力上限值500 kN(模擬橋塞壓裂承載壓差50 MPa)，壓桿下行速度5 mm/min，確認(rèn)后開始進(jìn)行壓裂承載模擬試驗(yàn)。

(5)向電控恒溫水浴裝置內(nèi)加入取自現(xiàn)場(chǎng)某頁巖氣井的返排液20 L，返排液氯離子濃度約1%，設(shè)置恒溫值90℃。待液體溫度達(dá)到設(shè)定值后，將8片鑲齒卡瓦浸泡于液體環(huán)境中進(jìn)行溶解試驗(yàn)。

3．實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

在卡瓦錨定模擬試驗(yàn)中，萬能材料試驗(yàn)機(jī)下壓力達(dá)到約12 kN時(shí)，2組箍環(huán)先后破裂，壓桿繼續(xù)下行，當(dāng)下壓力達(dá)到150 kN時(shí)，卡瓦上端面行程13．5 mm，鑲齒卡瓦完成錨定，卡瓦錨定模擬試驗(yàn)曲線如圖5所示。

在壓裂承載模擬試驗(yàn)中，萬能材料試驗(yàn)機(jī)下壓力達(dá)到500 kN時(shí)，卡瓦上端面行程3．3 mm，卡瓦下端面幾乎無位移，試驗(yàn)結(jié)果表明可溶基體鑲齒卡瓦在套管內(nèi)錨定可靠，壓裂承載模擬試驗(yàn)曲線如圖6所示。

鑲齒卡瓦在90℃高溫、氯根含量約1%的返排液環(huán)境中浸泡6．5 d后，基體全部溶解，日溶解率約16．38%，試驗(yàn)結(jié)果表明可溶基體鑲齒卡瓦溶解性能良好，鑲齒卡瓦溶解試驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖5卡瓦錨定模擬試驗(yàn)曲線

圖6壓裂承載模擬試驗(yàn)曲線

圖7鑲齒卡瓦溶解試驗(yàn)曲線

四、結(jié)論

(1)可溶橋塞的錨定卡瓦有異于常見的鑄鐵卡瓦和復(fù)合材料卡瓦，除了需要提供可靠的套管錨定力和膠筒鎖緊力之外，還必須具備良好的溶解性能及返排能力。

(2)當(dāng)下壓力達(dá)到150 kN時(shí)，卡瓦上端面行程13．5 mm，鑲齒卡瓦完成錨定。萬能材料試驗(yàn)機(jī)下壓力達(dá)到500 kN時(shí)，卡瓦上端面行程3．3 mm，卡瓦下端面幾乎無位移。鑲齒卡瓦在90℃高溫、氯根含量約1%的返排液環(huán)境中浸泡6．5 d后，基體全部溶解，日溶解率約16．38%。

(3)測(cè)試結(jié)果表明可溶材料鑲齒卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選型合理，在套管內(nèi)壁錨定承載性能可靠，溶解性能良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工要求。