0 引 言

目前，国内水平井开发配套压裂技术不够完善，主要表现在水平井大多水平段长、分段级数多，如果分多次下入双封单卡分段压裂管柱会增加起下管柱工作量，影响压裂作业进度，提高压裂施工成本^[1]；使用多级封隔器＋定压滑套进行水平井多级分段压裂技术，工具串很长，完成压裂施工后工具串基本无法取出，挤占流体通道，同时给后期措施作业造成巨大困难^[2-3]。

近年来，随着高性能复合材料的研究与应用进入一个新的发展时期，树脂与玻璃纤维在技术上的进步使其力学性能不断提高，非金属复合材料代替金属材料用于井下工具制造技术也取得了巨大进展，国外首先研发了利用非金属材料制造易钻封隔器的技术^[4-9]，研制出用于水平井分段压裂的非金属复合材料易钻桥塞。该桥塞配套电缆投送器和电缆射孔工具射孔压裂，自下而上打1个桥塞压裂1段地层，逐步完成水平井全井段的分段压裂施工，并且满足水平井压裂后1趟钻磨处理管柱完成井下全部易钻桥塞的钻磨处理施工要求。

延长石油(集团)有限责任公司大部分区块属于三低油气田，部分区块产能动用困难，依靠压裂提高产能，用非金属复合材料易钻桥塞分段压裂工艺试验性应用5口井，取得了较好的经济效益。但是易钻桥塞依靠进口，压裂成本高，无法全面推广。鉴于此，2014年中原石油工程技术研究院研制出具有独立知识产权、能够代替进口产品的易钻桥塞，为延长石油(集团)有限责任公司各区块水平井压裂技术的应用提供了技术支持。

1 技术分析 1.1 结构

易钻桥塞结构如图 1所示。

中心管内通径上部设计有锥密封面，其上放置低密度球，在球上端的中心管上径向安装1个挡球销，其外径上部设计有环形凸台，下部设计一环形凹槽，凹槽下部径向均布1组防转销孔；

坐封压环上端为环形平面，下端内均布防转凹槽；上、下卡瓦均为瓣形结构，外壁上镶嵌有硬质非金属牙块，内为楔形结构；上、下楔形体斜外圆均布与卡瓦的内楔形斜面角度相同的卡瓦楔形槽，扩径环内均布的斜凹槽与下楔形体上端均布的斜凸台相配合。上卡瓦、下卡瓦分别插入到上楔形体、下楔形体的卡瓦楔形槽内，并通过卡瓦套环固定组成上、下卡瓦楔形体组合体，中胶筒和两头的端胶筒及胶筒内、外护帽组成密封总成。

从中心管外径环形凸台下依次套装坐封压环、上卡瓦楔形体组合体、密封总成、扩径环和下卡瓦楔形体组合体。坐封压环上端紧靠中心管的外环形凸台定位，下端内均布的防转凹槽与上卡瓦上端尾部配合限制其圆周运动；卡瓦托对半卡在中心管下部的环形凹槽内，卡瓦托座内装好防转销套在卡瓦托上，并通过防转销连接使卡瓦托、卡瓦托座和中心管组成相对固定的整体，最后再用剪销将坐封压环、上楔形体和下楔形体固定在中心管上组成易钻桥塞。

1.2 工作原理

现场使用时，易钻桥塞上端连接专用电缆投送坐封工具，用电缆下入到井下设计位置，通过地面通电起爆系统点火引燃坐封工具内的动力燃料，投送器工作，完成易钻桥塞的坐封丢手。易钻桥塞坐封丢手和压裂状态如图 2所示。

1.2.1 投送坐封

电缆投送坐封工具在火药燃烧产生的作用力下工作，对易钻桥塞形成上拉拔中心管、下推送坐封压环的1对大小相等方向相反的作用力，如图 2a所示。

坐封压环相对中心管下行向下卡瓦托靠近，依次剪断上楔形体和下楔形体上的剪销，在下楔形体向卡瓦托靠拢过程中，下卡瓦上的卡瓦套环断裂，使下卡瓦沿下楔形体的斜面径向扩张贴在套管内壁，卡瓦牙嵌入套管内壁完成下端卡定，扩径环下行过程按照设定好的开裂线径向开裂成4等份，且沿下楔形体上端的斜面径向扩径贴在套管内壁，对胶筒下端的外护帽起到刚性保护作用；上卡瓦在坐封压环的推动下沿上楔形体的斜面向下移动径向扩张，使套在其上的卡瓦套环断裂并继续下移径向扩张卡定在套管内壁，完成桥塞上端卡定。在此坐封过程中，胶筒组轴向压缩径向扩张密封中心管外径和套管内径形成的环形空间，端胶筒的径向扩张迫使胶筒内护帽和胶筒外护帽径向撑开并保护端胶筒，端胶筒同时对中胶筒起到保护作用，当实际作用力超过预设的坐封力时，易钻桥塞脱离投送工具，完成投送、坐封和丢手全过程。

1.2.2 压裂施工

压裂时，非金属低密度球密封易钻桥塞中心管内通道，保护下部层段压裂上层，整个易钻桥塞承受向下的活塞力，这个力由下卡瓦与套管之间的嵌入摩擦力来承担，并且施工压力使中心管活塞式下移到其上端外圆上的环形凸台，限位于坐封压环上端面，圆环形凸台起到限位锁定的作用，避免了中心管继续下滑使桥塞解卡失效的可能，同时将作用在中心管上的压力传递给坐封压环并转换成2次坐封动力，如图 2c所示。施工压力越高，2次坐封动力就越大，卡瓦与套管之间的嵌入摩擦卡定能力也越强，保证了易钻桥塞的承压能力和卡定能力。

1.2.3 钻磨处理

完成压裂后下入普通的平底磨鞋即可完成全部井下易钻桥塞的钻磨处理作业。由于低密度球和中心管主通道内锥密封面的作用，上压密封、下压连通，施工压力消失，下层液体自动顶开低密度球连通无节流上行，

钻磨处理时不会形成圈闭压力，保证了钻磨施工安全；如果井下压力过高，还可以直接投入生产，使层压力下降到钻磨施工允许的安全压力时再进行钻磨处理。

1.3 材料优选试验研究

复合材料力学性能决定着易钻桥塞的坐封压力和耐温性能，通过环氧树脂、酚醛树脂和不饱和树脂基体性能优选与合成达到实现易钻桥塞技术指标的目的。优选环氧树脂为粘合剂，六氢苯酐为固化剂，2，4，6-三(二甲氨基甲基)苯酚为催化剂，气相法白炭黑为触变剂。填料固化时，固化温度160 ℃、固化时间90 min、固化压力200 MPa，采用模压成型，将配好的材料制成试样进行强度试验分析。不同树脂基体及玻璃纤维含量的复合材料在室温和130 ℃时的拉伸、压缩性能不同。拉伸试验性能见表 1，压缩试验性能见表 2。

从表 1可见，大部分材料在130 ℃的抗拉强度高于室温下的抗拉强度，一部分材料在130 ℃的抗拉强度与室温下的抗拉强度差别不大。因此，受拉力零件材料选择依据室温下的抗拉强度，适当考虑高温下的抗拉强度。从表 2可见，在130 ℃的抗压强度与室温下的抗压强度相比降低较多，有的降幅接近90%，因此受压应力的零件选材必须以130 ℃的抗压强度为准。由表 1和表 2可知，5号复合材料的性能与要求的性能较接近，因此选用5号复合材料加工桥塞零件。

1.4 主要技术参数

最大外径110 mm，通径32 mm，长度630 mm，适应套管139.7 mm(5 1/2 in)，耐温120 ℃，耐压60 MPa，单套钻磨处理时间少于40 min。

1.5 结构特点及技术创新

(1)中心管外的环形凸台和环形凹槽，配合卡瓦托及卡瓦托座将中心管外的轴向力转移到中心管上，实现无螺纹、无锁紧机构设计，提高了承上压能力。

(2)卡瓦分瓣插入坐封压环内及防转销设计，防止磨铣时空转，提高了磨铣效率。

(3)分瓣式卡瓦结构坐封时分瓣均匀，使得中心管居中较好，胶筒受力均匀，提高了密封效果和承压能力。

(4)中心管带主通道并用低密度球密封其内环锥密封面，实现正向密封承高压，反向无节流释放圈闭压力，保证施工时能够实现单向高压密封，施工压力消失后在地层压力下能够自动连通，保证处理过程施工安全，同时在地层压力较高无法钻磨处理前可以连通投产。

2 耐温耐压及易钻性能分析

国外复合材料易钻桥塞的结构与传统金属桥塞结构类似，选用整体铸铁卡瓦，零件之间采用螺纹连接，完成坐封后通过锁扣锁死以防止失效^[10-11]。而该易钻桥塞的结构有所不同，具体体现在2个方面：①零件之间全部采用无螺纹连接，完成坐封后也不需要锁扣锁定，克服了非金属材料加工螺纹、锁扣连接及锁定强度较弱无法满足压裂耐高压差要求的缺点；②分瓣式卡瓦的结构设计减少了相对较难钻磨处理材料的用量，保证了桥塞坐封后零件之间防转性能及在套管内强制居中性能，既避免了钻磨处理过程中工具的无效运行，提高了钻磨效率，同时由于桥塞居中性好，也在一定程度上提高了承压能力。此外，在主体件的非金属复合材料的配方、补强及成型工艺优选中做了大量的试验研究，保证了易钻桥塞整体耐温耐压性能，同时达到易磨易钻要求，实现1趟管柱完成较多数量桥塞的钻磨处理。

3 室内试验 3.1 试验配套工具及设备

(1)以美国吉尔哈特的桥塞电缆投送器为基础进行配套连接设计，改螺纹连接为剪销连接，选用直径8 mm的黄铜材料剪销，通过数量控制坐封力的大小。

(2)根据室内试验要求，设计加工了由套管短节、套管接箍和试压接头组成的丢手耐压装置。

(3)耐温耐压试验装置1套，包括油浸罐、电加热恒温系统、试验泵、温度压力等数据显示及采集系统。

(4)搭建了能够完成井下工具钻、铣、磨等工作的修井工具试验台。

3.2 试验过程

(1)电缆投送器坐封丢手试验。根据液压投送器坐封丢手室内试验结果安装10个8 mm黄铜丢手剪销，坐封丢手力控制在155 kN，坐封丢手工艺一次性成功，坐封力满足易钻桥塞密封要求，完成坐封后剩余能量充分，安全可靠。

(2)油浸罐120 ℃柴油内模拟耐高压差试验。将易钻桥塞连同试压装置置于177.8mm(7 in)套管油浸罐内，在120 ℃柴油内加温3 h后保压模拟高温耐压试验，最高压差60 MPa，稳压20 min，不渗不漏，泄掉压力再次加压，每套反复试验3次，均不渗不漏，达到设计耐温耐压要求。易钻桥塞在120 ℃下耐压曲线如图 3所示。

(3)室内钻磨试验。根据鱼顶情况，选用普通平底磨鞋作为钻磨处理工具进行钻磨试验，平均钻压22.0kN，平均钻速41.5 r/min，最大进尺速度48.0 mm/min，最小进尺速度17.2 mm/min，总钻通时间19 min。

受室内试验条件的限制，无法模拟现场实现多套易钻桥塞一起钻磨试验。1套桥塞钻磨试验时桥塞下卡瓦磨散后其下端部分失去固定约束，无法继续钻磨处理，下卡瓦大部分、下卡瓦托、下卡瓦托套以及中心管在承受上压下行后，下端露出部分残留物自由散落在试验套管中，剩余部分占桥塞整体的30%左右，其余全部钻磨成粉末，根据剩余残留物，合理估计剩余的全部钻完时间不会超过已钻磨处理部分所用时间。

3.3 试验结果

易钻桥塞共试验4套次，其中坐封丢手试验4次，耐温耐压试验12次(每套反复3次)，钻磨试验1次。坐封丢手过程中各机械动作与设计预想的完全相同，整体性能达到设计技术标准，钻磨试验用时不超过设计要求。因此易钻桥塞达到研究设计目的，满足现场使用要求。

4 结论与认识 4.1 结论

(1)该易钻桥塞结构新颖合理，无螺纹、无锁紧机构以及分瓣式卡瓦结构设计，增强了桥塞的密封效果和承压能力，防转设计提高了磨铣效率，中心管设计低密度球密封其主通道，实现了正向承高压和反向自动连通，保证处理过程施工安全，同时在地层压力较高无法钻磨处理前可以连通投产。

(2)材料优选配方成型工艺优化、增强纤维布局合理。根据易钻桥塞各零件的服役条件，优选确定了主要承受拉压应力零件所用材料及成型工艺；同时根据桥塞密封性能要求，设计并优选了2种橡胶配方，其压制性能满足设计要求的中胶筒和端胶筒，从材料的优选及成型工艺理论上为易钻桥塞的可钻易钻性能打下坚实的基础。

(3)室内试验结果证明，该易钻桥塞满足水平井分段压裂施工要求，能够实现多级下入，1趟钻磨管柱钻磨处理掉井下所有的桥塞，达到易钻快钻目的，既能保护套管，又具有井下不留落物、不影响后期增产措施作业的优点，不仅提高压裂施工时效，又能够代替常规的铸铁桥塞，实现油田稳定高效开发。

4.2 认识

(1)非金属原材料(像酚醛类)抗拉强度较低，但是经过优选配料、增强纤维结构设计和优化压固成型工艺，能够获得满足易钻桥塞要求的高强度非金属复合材料，其抗拉强度在218 MPa以上，最高达到590 MPa。

(2)温度对非金属复合材料的抗拉强度和抗压强度均有影响。随温度上升，大部分材料在130 ℃的抗拉强度高于室温下的抗拉强度；130 ℃的抗压强度与室温相比降低较多，有的降幅接近90%。

(3)服役于井下高温环境的非金属复合材料井下工具，其抗拉应力零件的材料可以依据常温抗拉强度，进行室内抗拉试验就可以；而抗压应力的零件材料则必须以相应的高温下抗压强度为准，必须进行模拟工具服役的高温环境的抗压强度试验，这样才能满足工具在井下工作的指标要求。