高溫全金屬可溶橋塞的研發與應用

楊敏 劉濤 何宴 陳瀟晗 鄒文智

捷貝通石油技術集團股份有限公司 四川 成都 610000

近年來，全金屬可溶橋塞在國內頁巖氣等非常規油氣開發中得到了很好的應用，該橋塞本體全部由可溶解鎂鋁合金材料組成，無膠筒設計，體積小、通徑大，結構簡單，解決了膠筒溶解緩慢、溶解不充分等問題[1-2]，顯著提高了橋塞的溶解速率，縮短了燜井周期，加快了油氣井建產，對橋塞的發展和非常規油氣的開采具有重要意義。全金屬可溶橋塞已逐漸取代膠筒式可溶橋塞，成為壓裂改造主要的分段工具。

雖然全金屬可溶橋塞已進入了應用階段，但專門的研究還較少。目前可溶橋塞的研究主要集中在橋塞的性能評價[3-4]、工藝中的技術問題[5-6]和現場應用情況[7-8]等方面。在少有的全金屬可溶橋塞研究中，也主要研究全金屬可溶橋塞的結構特點和中低溫井況（＜120℃）應用[9]，在高溫狀態下的（≥120℃）的研究較為缺失。但隨著非常規油氣井完鉆越來越深，井溫越來越高，全金屬橋塞在高溫井況中的應用受到了挑戰。高溫條件下鎂鋁合金溶解快，材料強度和韌性的統一性較差，這導致高溫全金屬橋塞的性能極不穩定。

根據全金屬可溶橋塞在高溫條件下的特點，在現有的可溶鎂鋁合金中篩選合適材料，優化結構設計，加工出滿足要求的可溶橋塞，并通過室內測試和現場應用評價橋塞的性能，達到了設計要求。高溫全金屬可溶橋塞的研發成功，以期為可溶橋塞的發展應用和非常規油氣的開發提供指導與幫助。

1 可溶材料的選型

高溫全金屬可溶橋塞對鎂鋁合金材料的溶解速率、強度和延展性要求較高。鎂鋁合金材料對溫度的適應性不同，可分為低中高三類（適應溫度≥120℃的材料稱為高溫材料）。中低溫材料在高溫環境下溶解速率快，強度降低，流變性增強，不適合制造高溫橋塞，因此需要在高溫材料中進行篩選。材料選擇時也需要考慮現場施工要求，一般要求在井內浸泡24h仍須滿足壓裂施工要求。橋塞各部件對材料的要求也不一樣，卡瓦要求滿足高強度性能，以保證可靠的錨定性，金屬密封環要求高延展性材料，以密封套管內壁。其他組件主要起連接和引導作用，可根據井況和溶解要求，酌情調整材料以滿足需求。因此需要對不同材料進行測試和研究，以匹配橋塞不同部件的要求。本文對7種高溫材料進行了溶解和拉伸試驗，以論證材料的性能，測試數據如表1。

表1 可溶鎂鋁合金材料的測試結果

備注：溶解試驗環境為150℃、1%KCl溶液。

根據試驗結果，1號和2號材料溶解速率較快，暫不考慮高溫環境使用， 3、4、5號材料強度大，可用于加工卡瓦，6號材料延展性好，可加工金屬密封環，3號、4號和7號材料溶解速率相對較快，可加工其他輔助組件。本文將在上述材料的基礎上，優化橋塞結構，設計出滿足要求的高溫全金屬可溶橋塞。

2 橋塞結構設計

2.1 整體結構設計

高溫全金屬可溶橋塞仍保持主體結構簡單的特點，橋塞由錐體、金屬密封環、隔環、卡瓦、引鞋等組成，但在具體結構上做優化調整，使現有材料的性能最大化，以滿足高溫井筒環境，橋塞具體結構見圖1。

圖1 高溫全金屬可溶橋塞結構

圖2 橋塞高溫承壓曲線圖

錐體是受力部件，外部壓力通過坐封工具將力傳遞到錐體，推動錐體下移擠壓金屬密封環和卡瓦。金屬密封環是全金屬橋塞的密封組件，受壓擴張，貼合套管內壁，形成密封；卡瓦是錨定機構，受力撐開，咬合套管，支撐橋塞；隔環是密封環和卡瓦之間的緩沖機構，輔助密封；引鞋在橋塞最下端，做有錐面，引導管串下放入井，并設置剪切銷釘固定橋塞。當推力達到設定值時，剪切銷釘被剪斷，橋塞與送入管串分離，完成丟手。

橋塞各組成部件的作用不同，對溶解性能的要求也不同，可以根據井況優化不同材料組合，以提高橋塞整體的溶解性。其中錐體和引鞋是橋塞中質量相對較大的輔助部件，對橋塞整體的溶解性能有較大的影響，需根據井況要求，使用溶解速率較快的材料，研究使用的是7號材料。

2.2 金屬密封環

金屬密封環是全金屬可溶橋塞的密封組件，是用高延展性的材料加工而成，它代替可溶膠筒密封套管內壁?？扇苣z筒溶解速率慢，充分溶解時間可超過10天，而金屬結構一般5天之內會全部溶解。金屬密封環在坐封過程中會徑向擴張至套管內壁，在擴張過程中極容易斷裂，材料需要滿足高延展性；橋塞承壓時密封環直接受力，若強度不足，會發生軸向錯斷，材料強度須滿足要求；可溶金屬的溶解速率大大快于可溶膠筒，必須控制速率以保證橋塞滿足24h的工作時效。

選擇的是6號材料加工金屬密封環，6號材料延伸性較好，但擴張的過程中仍可能發生斷裂，需要進行一些輔助設計以保證性能穩定。金屬密封環中間設計凹槽，使形變時有空隙釋放形變量，增強延展性，減小坐封力；凹槽內可填裝高溫可溶橡膠圈，以輔助密封。在密封環和卡瓦之間增加隔環結構，一是增加密封組件強度，二是形成緩沖區，避免密封環與卡瓦直接接觸，保證受力均勻，增強穩定性。

2.3 可溶卡瓦

卡瓦是橋塞坐封和持久錨定的關鍵部件，橋塞受壓時卡瓦承受上部壓力，因此需要高強度、低溶解率的材料，以達到支撐橋塞的作用。全金屬橋塞卡瓦和金屬密封環相連，卡瓦撐開后的狀態對金屬密封環影響很大，若撐開后各卡瓦塊不在同一平面，存在上下錯位現象，金屬密封環也會受其影響出現軸向錯位，甚至扭曲變形。金屬密封環與膠筒不同，輕微變形就會造成與套管內壁密封不嚴，產生滲漏，因此對卡瓦撐開形態的要求很高。

高溫卡瓦采用整體式結構，用線切割技術加工成彼此相連的部分，并在線切割底端設置應力孔。這種結構撐開時各卡瓦塊仍彼此相連為一體，會減小卡瓦塊間的錯位，而應力孔和線切割縫會釋放應力，避免卡瓦軸向斷裂。本文選擇的是表1中的4號材料作為卡瓦的加工材料，3號和5號材料雖然強度更大，但高溫下脆性也較大，卡瓦在坐封時會在線切割應力孔處發生斷裂，增加卡瓦錯位風險，影響橋塞密封效果。

3 高橋塞性能測試

3.1 耐溫承壓測試

參考《石油天然氣鉆采設備 可溶橋塞》（SY/T 7462-2019）標準的檢驗方法[10]，將橋塞坐封于5 1/2″套管內，套管壁厚12.7mm，鋼級140V；坐封完成后將工裝升溫至150℃，打壓至70MPa，穩壓24h，驗證橋塞在高溫高壓條件下的承壓能力，24h內壓力無突降為合格。橋塞承壓結果曲線見圖3。

由上圖曲線可知，橋塞在150℃承壓70MPa，穩壓24h，壓降2.45MPa，未出現壓力陡降，滿足耐溫耐壓要求。

3.2 充分溶解測試

將承壓后的橋塞-套管短節工裝浸泡在恒溫水浴箱內，液體介質為1%KCl溶液，設置溫度99℃，每24h檢查橋塞的溶解狀態，稱取剩余重量，直至橋塞充分溶解。表2為橋塞溶解測試情況記錄。

表2 橋塞溶解試驗記錄表

橋塞初始重量為2 218g，浸泡96h后，鎂鋁合金部分完全溶解，不溶物為卡瓦齒，不溶物重量為85g，不溶物質量占可溶橋塞總質量的比例為3.8%，滿足SY/T 7462-2019標準不溶物重量≤5%的要求。

橋塞通過室內評價測試，表明高溫全金屬可溶橋塞達到現場應用要求，可進行現場使用。

4 井上應用情況

高溫全金屬可溶橋塞于2022年7月在川渝頁巖氣區塊足206井區某平臺進行了應用，該平臺為兩口井拉鏈式壓裂作業，兩口井完鉆井深均超過6900m，垂深超過4300m，地層溫度超過135℃，共分78段。兩口井采用電纜泵送橋塞分簇射孔壓裂工藝，壓裂液為清水和返排液的混合液體，礦化度5000～10000×10-6，施工壓力105～115MPa，壓裂排量18～20m3/min，單段液量2500～3000m3。橋塞入井至壓裂最長間隔時間26h，壓裂期間無異常壓力陡降現象。本平臺共下入橋塞76支，滿足了壓裂施工要求。兩口井壓后即進行通井鉆塞作業，超過80%的橋塞無遇阻顯示，直接通過；剩余橋塞均輕微鉆磨通過，最大鉆磨時間12min，平均鉆磨時間4.1min。

截止2023年6月，該高溫全金屬可溶橋塞15井次，入井橋塞超過500只，橋塞正常施工率100%，高溫全金屬可溶橋塞的大量整井應用，充分說明該橋塞性能穩定可靠，完全滿足高溫井況的應用要求。

5 結束語

（1）本文對可溶鎂鋁合金材料進行了高溫溶解試驗和力學拉伸試驗，優選出了適用高溫環境特點的材料。

（2）本文針對高溫鎂鋁合金材料的性能特征，對全金屬可溶橋塞的結構進行了優化，制造出了滿足設計要求的高溫全金屬可溶橋塞。

（3）本文根據行業標準要求，模擬現場井筒情況，對高溫全金屬可溶橋塞進行了室內測試和評價，橋塞的高溫承壓和溶解性能均滿足設計要求。

（4）高溫全金屬可溶橋塞在川渝頁巖氣區塊進行了大量應用，正常施工率100%，橋塞承壓穩定可靠，壓后溶解性能優良，滿足現場施工的要求。