橋塞技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀分析

劉 奔

(中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 102200)

頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏通常在儲(chǔ)層接觸面積增大時(shí)變得經(jīng)濟(jì)，多級(jí)水力壓裂是增加儲(chǔ)層接觸面最成功、最經(jīng)濟(jì)的方法之一。致密地層水平井壓裂需要隔離不同位置的裂縫區(qū)域，并將流體引入下一個(gè)壓裂層位[1-2]。橋塞與射孔聯(lián)作技術(shù)是進(jìn)行水力壓裂最有效的方法之一，其利用橋塞來(lái)封隔井筒內(nèi)的下層，使用射孔槍射開(kāi)橋塞上部套管，實(shí)現(xiàn)對(duì)上一層段的壓裂。這一技術(shù)有各段之間隔離可靠、現(xiàn)場(chǎng)施工操作簡(jiǎn)單、可進(jìn)行分層試油，施工規(guī)模大，分層級(jí)數(shù)不受限制等優(yōu)勢(shì)。

自1949年水力壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)規(guī)模以來(lái)，其工藝技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，而作為其施工中重要的層間封隔工具——橋塞[3-5]，也隨著壓裂工藝的更新而與其交替前進(jìn)，相互影響，從最初的可回收橋塞到可鉆橋塞，再到可溶橋塞，其封隔性能及工藝的可靠性逐步提升，對(duì)油氣井的影響越來(lái)越小，施工效率也更高。

本文以水力壓裂完井為需求，論述了橋塞隨其工藝技術(shù)的進(jìn)步更新而不斷發(fā)展的過(guò)程，并以哈里伯頓、斯倫貝謝和威德福的橋塞為例，詳述了橋塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，處在蓬勃發(fā)展的道路上，可溶橋塞與傳統(tǒng)的復(fù)合橋塞都在向著大通徑、小型化的方向發(fā)展，在水平井分段壓裂中發(fā)揮著重要作用。

1 可鉆橋塞

最早用于層間封隔的橋塞是可回收的[6]，作業(yè)完成之后會(huì)用專門的工具取出橋塞，然而在壓裂完成之后，殘留在井筒中的砂子經(jīng)常會(huì)卡進(jìn)可回收橋塞里面，從而使可回收橋塞解封困難。一種用于廢棄井的封隔和處理固井施工過(guò)程中問(wèn)題的層間封隔工具被引入用來(lái)壓裂過(guò)程中的層間封隔，這種永久性入井的封隔工具由于無(wú)需回收利用，可以簡(jiǎn)化掉回收機(jī)構(gòu)，減少了零件個(gè)數(shù)，降低了橋塞設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，極大地降低了臨時(shí)封堵的作業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 可鉆金屬橋塞

與棄井中的永久層間封隔工具作業(yè)不同，應(yīng)用于壓裂過(guò)程中的橋塞在井筒作業(yè)完成后需要去除，用于反排、生產(chǎn)以及后續(xù)的作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)全井筒的暢通，在壓裂施工完成后需下一趟鉆，將井筒中所有的橋塞磨銑掉，因此相比于可回收橋塞反復(fù)坐封和解封來(lái)實(shí)現(xiàn)層間封隔，采用一次性可鉆橋塞，無(wú)需反復(fù)坐掛，不僅降低了時(shí)間成本，而且還避免了多次坐封膠筒帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，完井效率大幅提高。

磨銑作業(yè)的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本成為一次性橋塞首先需要考慮的問(wèn)題。為了便于磨銑，這種橋塞最早采用可鍛鑄材料制成的，如鑄鐵、鋁、鎂和黃銅。鎂和鋁材料需要涂層來(lái)減少井筒內(nèi)流體的腐蝕，而黃銅由于其磨屑的粘性降低了磨銑效率。鑄鐵具有高強(qiáng)度、低成本、良好的銑削性能和成熟的工藝，因此最終應(yīng)用于一次性使用橋塞。圖1為哈里伯頓鑄鐵材質(zhì)的橋塞，磨銑一個(gè)鑄鐵橋塞理論時(shí)間大約為1.5～2.0 h。

圖1 哈里伯頓可鉆鑄鐵橋塞

隨著壓裂技術(shù)的進(jìn)步以及水平井的應(yīng)用普及，井筒需要壓裂的段數(shù)也越來(lái)越多，鑄鐵橋塞的問(wèn)題開(kāi)始凸顯。在鉆磨過(guò)程中，當(dāng)錐體卡瓦松弛，橋塞剩余部分會(huì)落入下一個(gè)橋塞上，這樣較大的鑄鐵橋塞殘留將使下一個(gè)橋塞很難鉆磨，而且由于鑄鐵材料密度較大，鉆磨的碎屑也不利于循環(huán)排出。全井橋塞越多，鉆磨難度越大，極端情況下還可能出現(xiàn)油管卡死、需要打撈，其作業(yè)效率很低。例如，早期應(yīng)用于煤層氣直井壓裂的鑄鐵材質(zhì)橋塞，鉆除頂部橋塞用時(shí)2 h，頂部橋塞卡瓦脫落后部分鑄鐵落到下一個(gè)橋塞頂部，這樣導(dǎo)致下一層位的壓裂砂很難循環(huán)出井筒，降低了磨銑效率。處在層間的橋塞都存在這一問(wèn)題，從而使層間橋塞需要12 h鉆除，甚至更多。在一次現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，為了鉆除鑄鐵橋塞，整個(gè)井場(chǎng)耽誤了8 d時(shí)間[7]。在水平井中，鑄鐵橋塞的重力優(yōu)勢(shì)也成為了劣勢(shì)，因?yàn)檩^重的橋塞在水平井中摩擦力增大，使泵送困難，更不用說(shuō)磨銑了。

1.2 可鉆復(fù)合橋塞

為了解決鑄鐵橋塞在水平井壓裂發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)用局限性，工程師們開(kāi)始在橋塞結(jié)構(gòu)和材料上進(jìn)行優(yōu)化，一種采用復(fù)合材料制造的橋塞應(yīng)運(yùn)而生[7-8]，其泵送性和可鉆性遠(yuǎn)超鑄鐵材料。復(fù)合材料一般是由基體材料和增強(qiáng)劑復(fù)合而成，高分子材料是最常用的基體材料，而增強(qiáng)劑為玻璃纖維、碳纖維碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維等[9]，應(yīng)用于橋塞上的材料一般為樹(shù)脂基復(fù)合材料，其采用環(huán)氧樹(shù)脂加玻璃纖維[10-11]，可鉆性強(qiáng)，磨銑后的碎屑尺寸小，容易循環(huán)帶出地面，不會(huì)像金屬碎屑那樣發(fā)生沉淀。

為了加快設(shè)計(jì)流程，盡快滿足現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求，從最早的鑄鐵到復(fù)合材料的橋塞，其結(jié)構(gòu)與坐封原理基本相同，圖2為哈里伯頓Fas Drill復(fù)合橋塞，與圖1中鑄鐵材料橋塞結(jié)構(gòu)非常相似，這種采用上下2個(gè)卡瓦組實(shí)現(xiàn)雙向坐掛，采用三膠筒實(shí)現(xiàn)層間密封的結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的橋塞設(shè)計(jì)，其施工工藝為將橋塞連接在坐封工具上，一同泵送到井筒中指定位置。采用液壓或火藥坐封橋塞時(shí)，中心桿推動(dòng)上下2個(gè)卡瓦沿著各自的錐體向上滑動(dòng)，并壓縮膠筒向徑向膨脹。當(dāng)卡瓦坐掛和膠筒坐封完成后，坐封工具對(duì)橋塞丟手，取出上部管串，由于其中心桿上開(kāi)有一通孔，壓裂前還需要從井口投入壓裂球封堵中心桿上孔眼實(shí)現(xiàn)層間隔離。然后進(jìn)行壓裂施工，重復(fù)這一操作，可完成多段的壓裂施工，最后待橋塞施工結(jié)束后，下鉆磨工具磨銑橋塞。當(dāng)橋塞上部卡瓦被鉆穿時(shí)，頂端的楔形體會(huì)掉入或被推入到下一層橋塞的頂部卡住，便于繼續(xù)鉆磨，磨銑一個(gè)復(fù)合橋塞的時(shí)間可以控制在30 min以內(nèi)[12-14]，當(dāng)全井筒橋塞全部清除后，可實(shí)現(xiàn)反排和回采油氣。

圖2 哈里伯頓Fas Drill復(fù)合橋塞

早期的橋塞中心桿上并沒(méi)有通孔，如圖1中橋塞的中心桿上部是實(shí)心結(jié)構(gòu)，其坐封丟手后，可以直接壓裂[15]。圖2中的橋塞與早期的鑄鐵橋塞最大改進(jìn)是在芯軸上開(kāi)有通孔，這樣在壓裂完成能夠盡快反排，以減小對(duì)儲(chǔ)層的傷害。在可溶材料應(yīng)用到石油行業(yè)之前，投入的壓裂球主要是高分子聚合物材質(zhì)，這樣在反排過(guò)程中，所有壓裂球被頂?shù)缴弦患?jí)橋塞底端，由于橋塞底部開(kāi)有側(cè)孔，壓裂球不會(huì)封堵住過(guò)流通道，從而實(shí)現(xiàn)快速反排，但后期進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，仍需鉆掉所有橋塞。

在提高磨銑效率方面，除了采用磨銑效率更高的復(fù)合材料外，縮小橋塞的體積減少材料用量也是工程師們重要的研究的方向。在改進(jìn)橋塞結(jié)構(gòu)方面，各大油服公司也是各顯神通，圖3為哈里伯頓微型復(fù)合橋塞，是前代Fas Drill復(fù)合橋塞的微型版，通過(guò)優(yōu)化中心桿與膠筒結(jié)構(gòu)，減小橋塞長(zhǎng)度，139.7 mm(5英寸)的Fas Drill復(fù)合橋塞優(yōu)化后的長(zhǎng)度從850. 6 mm縮減到545.8 mm，長(zhǎng)度縮小了近36%，但其同樣能夠保證69 MPa(10 000 psi)的封隔壓力。

圖3 哈里伯頓Fas Drill微型復(fù)合橋塞

斯倫貝謝也研發(fā)出了微型的易鉆復(fù)合橋塞FracXion，如圖4所示，139.7 mm(5英寸)的FracXion橋塞長(zhǎng)度僅有415 mm，同樣能保證在135 ℃下69 MPa(10000 psi)的封隔能力。為了提高磨銑效率，斯倫貝謝還將橋塞的錨定牙改為中空的金屬或陶瓷結(jié)構(gòu)。圖5中所示的威德福2018年發(fā)布的minima復(fù)合橋塞，其由一個(gè)復(fù)合材料本體、復(fù)合材料卡瓦、丁腈橡膠(NBR)彈性體和鑄鐵卡瓦和金屬粉末球齒組成[16]，139.7 mm(5英寸)的minima橋塞長(zhǎng)度最短的達(dá)到了304.8 mm，整個(gè)橋塞在井下鉆除只需要5 min。

圖4 斯倫貝謝 FracXion微型復(fù)合橋塞

圖5 威德福minima復(fù)合橋塞

2 可溶橋塞

隨著深井、超深井的開(kāi)發(fā)，采用連續(xù)油管磨銑作業(yè)也有其局限性，在連續(xù)油管無(wú)法達(dá)到的深層壓裂作業(yè)，復(fù)合橋塞的清除是一個(gè)問(wèn)題，磨銑過(guò)程也可能會(huì)對(duì)壓裂的儲(chǔ)層有一定影響，深井的井眼偏差和復(fù)雜性也會(huì)增加卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，降低磨銑的效率。

2.1 可溶材料

為了尋找一種既能滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的壓力和溫度要求，又能在生產(chǎn)開(kāi)始后很快分解的材料，研究人員對(duì)大量材料進(jìn)行了分析。主要挑戰(zhàn)是尋找具有必要力學(xué)性能的可溶材料，控制其在井底條件下的溶解時(shí)間，同時(shí)保證增產(chǎn)作業(yè)所需的工作時(shí)間。起初，可降解高分子復(fù)合材料(主要為PGA)被考慮，但在低于66 ℃的井中幾乎無(wú)法溶解，且材料的強(qiáng)度低于要求而最終被否定[17]。后來(lái)，研究者轉(zhuǎn)向了金屬系列，2010年國(guó)外開(kāi)始出現(xiàn)的可溶合金材料是一個(gè)革命性的創(chuàng)新，研制出的特殊合金具有所需的物理強(qiáng)度和化學(xué)性能，并且在各種井底條件下都能控制降解。這種可溶合金首先應(yīng)用在制備壓裂球上，2011年，貝克休斯研發(fā)了應(yīng)用在滑套上的可溶解壓裂球，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可控溶解等特點(diǎn)，并于當(dāng)年在北美油氣壓裂中成功應(yīng)用，并逐步替代了橋塞上不可溶解的壓裂球。

借助可溶材料的發(fā)展，研究者創(chuàng)新性地將整個(gè)橋塞采用可溶解材料制造，這大幅減少甚至不再需要連續(xù)油管的磨銑作業(yè)，進(jìn)一步降低了整體風(fēng)險(xiǎn)和成本[18-20]。在油氣井環(huán)境條件下自主溶解的材料主要采用鎂鋁合金，這種在20世紀(jì)70年代被否定的材料，再次被運(yùn)用在橋塞上。金屬或合金的降解過(guò)程的副產(chǎn)品是一種細(xì)小的粉末，它不會(huì)影響反排和生產(chǎn)。數(shù)小時(shí)到數(shù)天，橋塞就會(huì)慢慢降解，轉(zhuǎn)化為氫氧化物，同時(shí)釋放出少量的氫氣，直到完全溶解[21-22]。采用可溶材料制造的橋塞主要的技術(shù)要求有2點(diǎn)，一是具有足夠高的封隔能力；二是溶解時(shí)間可控。而可溶鎂鋁合金的溶解性能與井下的溫度和礦化度密切相關(guān)，為了使用這些可溶解的橋塞，必須仔細(xì)評(píng)估橋塞的使用環(huán)境[23-24]。

要想使橋塞實(shí)現(xiàn)整體溶解，作為封隔的重要零部件橡膠也需要用可溶材料，可溶解塑料由于其韌性和彈性都達(dá)不到要求而無(wú)法代替橡膠，因此，必須研發(fā)一種新型橡膠彈性體，使它不僅具有傳統(tǒng)橡膠的強(qiáng)度與彈性，也能在井下流體中自主降解。研究者采用傳統(tǒng)的聚合物為基體，改性制造了一種可降解彈性體，這種橡膠彈性體采用水解的溶解機(jī)制。彈性體水解是其與水反應(yīng)而使化合物發(fā)生化學(xué)分解的過(guò)程，其原理是通過(guò)提高橡膠的吸水性，破壞聚合物鏈上活性基團(tuán)上的鍵，從而使彈性體分子連接減弱并斷裂，實(shí)現(xiàn)彈性體的降解[25]。隨著井下地層溫度升高，降解作用會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。這種橡膠材料實(shí)現(xiàn)了在井筒流體中可控降解，并能保持較高的彈性和強(qiáng)度。

2.2 可溶橋塞結(jié)構(gòu)

在可溶解壓裂球出現(xiàn)之后，一種大通經(jīng)的橋塞一度成為研究的熱點(diǎn)[26]，其由不可降解的材料(如鑄鐵或鋼)制成。依靠具有較大的內(nèi)通徑本體和可降解球組成，前者充當(dāng)不可溶解的球座，后者為壓裂提供暫時(shí)封堵?？山到馇蚺c大通徑橋塞結(jié)合使用，在完全可溶解的橋塞出現(xiàn)之前，被視為一種過(guò)渡技術(shù)。這種類型的橋塞仍然具有鑄鐵橋塞的一個(gè)弱點(diǎn)，由于這些橋塞的設(shè)計(jì)是永久放置的，如果發(fā)生了提前坐封的情況，要完全移除它們是極其困難的。如果在設(shè)計(jì)的位置上成功坐封，這些大通徑橋塞可以滿足生產(chǎn)作業(yè)流程，但留在井筒內(nèi)的橋塞本體會(huì)形成井徑限制，可能會(huì)使未來(lái)的井下作業(yè)復(fù)雜化，并可能影響生產(chǎn)。

2015年，業(yè)界出現(xiàn)了在井筒中可自行溶解的橋塞，圖6為哈里伯頓Illusion可溶橋塞，是業(yè)界第1個(gè)可溶橋塞，封隔能力仍然達(dá)到了69 MPa(10 000 psi)，雖然其結(jié)構(gòu)與Fas Drill微型復(fù)合橋塞非常相似，但卻比復(fù)合橋塞更加短小，其139.7 mm(5英寸)結(jié)構(gòu)的橋塞長(zhǎng)度僅為443 mm[27]，這種橋塞主要由可溶合金本體、錨定機(jī)構(gòu)以及同樣可溶的密封膠筒組成，壓裂完成后無(wú)需磨銑作業(yè)，橋塞在井下溫度和鹽度的基礎(chǔ)上隨著時(shí)間降解。

圖6 哈里伯頓Illusion可溶橋塞

哈利伯頓的Illusion可溶橋塞結(jié)構(gòu)從其可鉆橋塞演化而來(lái)，但是這種原始的結(jié)構(gòu)使得橋塞的體積仍然較大，嚴(yán)重影響其溶解速率，可溶解橋塞必須改變傳統(tǒng)的鑄鐵和復(fù)合橋塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

斯倫貝謝研發(fā)的新型可溶橋塞采用了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖7為斯倫貝謝 ReacXion可溶橋塞，其創(chuàng)新性的將密封膠筒與錨定卡瓦放置于同一個(gè)錐體上，其膠筒的密封方式不在是壓縮膠筒徑向膨脹形成密封，而是利用錐體使密封膠筒周向漲封，由于密封原理的改變，實(shí)現(xiàn)了密封膠筒的小型化，斯倫貝謝這種可溶橋塞具有在149 ℃井下密封69 MPa(10 000 psi)壓差的能力，其長(zhǎng)度只有226 mm，幾乎只有哈里伯頓Illusion可溶橋塞長(zhǎng)度的一半，由于這種結(jié)構(gòu)的橋塞坐封丟手后不需要中心桿，因此其另一個(gè)特點(diǎn)就是大通徑，其63.5 mm的大通徑即使在油井立即開(kāi)啟后，該橋塞的設(shè)計(jì)也能提供足夠通徑的油氣通道。

圖7 斯倫貝謝 ReacXion可溶橋塞

近年哈里伯頓同樣在橋塞小型化方面發(fā)力，研發(fā)了其下一代可溶橋塞產(chǎn)品Illusion Spire，其結(jié)構(gòu)如圖8，與其上一代產(chǎn)品Illusion常規(guī)可溶橋塞相比，其一個(gè)顯著特點(diǎn)就是采用了單邊坐掛的方式，而且膠筒的坐封原理也進(jìn)行了更改，其創(chuàng)新性的坐封過(guò)程為：當(dāng)坐封工具點(diǎn)火坐封時(shí)，推動(dòng)左邊的錐形推桿向膠筒內(nèi)部移動(dòng)，然后使預(yù)置在膠筒內(nèi)的金屬膨脹彎曲變形，頂起膠筒使其密封橋塞與套管的環(huán)空間隙，圖8b是其坐封丟手后的狀態(tài)，變形的金屬將膠筒頂起形成環(huán)空封隔，丟手后，坐封工具連同坐封中心桿一并提出井口，因此坐封后的橋塞也不再具有中心桿結(jié)構(gòu)，從而增加了橋塞通經(jīng)，這種新一代的139.7 mm(5英寸)可溶橋塞的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度已經(jīng)縮小到203.2 mm，幾乎是業(yè)界最小巧的可溶橋塞之一。

圖8 哈里伯頓Illusion Spire可溶橋塞

這種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程師們也在復(fù)合橋塞上進(jìn)行試探，因此，出現(xiàn)了復(fù)合橋塞與可溶橋塞極其相似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，反過(guò)來(lái)又提高了復(fù)合橋塞的經(jīng)濟(jì)和效率。但是，可溶橋塞的風(fēng)險(xiǎn)和成本低于普通復(fù)合橋塞，越來(lái)越多的淺層和中深層的井也開(kāi)始應(yīng)用，通過(guò)對(duì)可溶材料的不斷優(yōu)化改進(jìn)，應(yīng)用于不同溫度、礦化度下的可溶材料逐漸被研發(fā)出來(lái)，大幅提高了可溶橋塞的適用性。這種溶解速率可控、密度低、強(qiáng)度高的可溶合金橋塞極具發(fā)展前途。

現(xiàn)階段一種新型的采用金屬密封來(lái)代替橡膠密封的橋塞成為研究熱點(diǎn)，這是因?yàn)橄鹉z有其局限性，其存儲(chǔ)環(huán)境相比金屬苛刻，承壓能力及溫度適應(yīng)性不強(qiáng)，而且其在井筒中完全溶解的時(shí)間普遍比可溶合金要長(zhǎng)。采用金屬密封的橋塞，其密封結(jié)構(gòu)由于無(wú)需擋圈保護(hù)，結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，圖9為KLX研發(fā)的可溶橋塞，其采用金屬密封為主，橡膠圈輔助密封的封隔方式，因此其密封結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，無(wú)需防突機(jī)構(gòu)和擋環(huán)等輔助增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，這種金屬密封采用高延展率可溶合金制成，可與橋塞本體實(shí)現(xiàn)同步溶解。

圖9 KLX可溶橋塞

可溶橋塞由于其自溶解特性，使其在減少壓裂后期干預(yù)作業(yè)方面具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有針對(duì)性地、系統(tǒng)地研究可溶合金在不同溫度、Cl-濃度、pH值等外部因素，以及合金元素、微觀結(jié)構(gòu)、制備工藝等內(nèi)部因素對(duì)材料的溶解性能影響，是實(shí)現(xiàn)材料對(duì)井筒環(huán)境響應(yīng)的一致性和可預(yù)測(cè)性的必要前提。

3 結(jié)論

1) 全溶解壓裂橋塞在非常規(guī)油藏水平井開(kāi)發(fā)中具有優(yōu)勢(shì)，特別適用于深井和長(zhǎng)水平井。完全可溶解的壓裂橋塞無(wú)需進(jìn)行額外的磨銑作業(yè)，從而大幅降低了拆除壓裂橋塞的成本和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少了鉆井液對(duì)地層的污染。

2) 復(fù)合橋塞和可溶橋塞現(xiàn)階段處在并行發(fā)展階段，但是，隨著可溶材料的技術(shù)進(jìn)步，可溶解橋塞的應(yīng)用范圍正在逐步增長(zhǎng)，等到可溶橋塞發(fā)展到真正的不需要任何類型的清洗時(shí)，復(fù)合橋塞在臨時(shí)層間封隔的應(yīng)用將大幅減少。但在一些特定作業(yè)，如棄井、永久性封井中，復(fù)合橋塞仍有其不可代替的作用。

3) 一套可溶橋塞并不是對(duì)所有的井下環(huán)境都適應(yīng)的產(chǎn)品，研究人員根據(jù)可溶材料的溶解特性，考慮井下溫度、壓裂過(guò)程、返排方案，進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，這將有助于可溶橋塞的成功應(yīng)用。