0 引言

随着油气田勘探开发的不断深入，常规石油天然气资源增储增产难度越来越大，非常规油气资源作为未来石油天然气能源的重要接替者^[1]，其战略地位日趋重要。我国非常规油气资源储量丰富，勘探潜力巨大，具有明显致密、低渗透和超低渗透等特征^[2]。水平井分段压裂是国内外页岩气藏等非常规油气藏有效提高单井日产量和开发效益主体储层改造的关键技术^[3]。桥塞作为水平井分段压裂重要的井下分层封堵工具，目前使用多为可钻式或可捞式。水平井压裂施工后，需要使用油管带井下工具对桥塞进行钻磨或打捞来释放封堵油层，但现场施工时经常出现钻磨卡钻或打捞失败等问题，工艺十分复杂且钻塞成本大幅提高，因此需要一种无干预化作业的新型可降解桥塞，解决压裂施工后迅速投产的问题。

目前，可降解桥塞核心技术一直被斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯等几家跨国油服公司所垄断。2015年2月，斯伦贝谢宣布推出油气行业内首款可完全降解的桥塞射孔联动系统Infinity。该系统使用可完全降解的压裂球和球座代替桥塞进行层位封隔，压裂施工后无需磨铣作业，极大降低了生产成本和风险，提高了作业效率^[4]。2015年6月，哈里伯顿发布了Illusion压裂桥塞，该桥塞是迄今为止市场上唯一可以完全降解的桥塞。压裂施工后不需要任何机械干预措施去清洗井筒避免钻塞，因而在降低风险的同时又能快速建立生产，提高资产的净现值^[5]。2015年9月，贝克休斯公司推出可完全溶解的压裂桥塞SPECTRETM，提供媲美传统复合桥塞的灵活层级设置。在接触井筒流体后可完全溶解，方便储层流体全通径流入井筒，达到了流动面积的最大化^[6]。中国石油勘探开发研究院研制了适用于多级投球滑套分段压裂的可分解压裂球，分析了可分解压裂球材料的分解特性及力学性能，并对可分解压裂球进行了地面承压试验及现场应用^[7]。中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院成功试验了高强度可降解复合材料，准备用于完井工具的改进^[8]。

笔者研制了一种由可降解粉体材料加工而成的新型可降解桥塞，并对可降解桥塞试验样机进行高温环境下室内承压性能试验，以期为我国掌握水平井分段压裂工艺以及页岩气、致密气等非常规油气藏大规模高效开发奠定坚实的技术基础。

1 可降解桥塞的研制 1.1 可降解粉体材料

可降解粉体材料主要由基质和包覆层2部分组成，其SEM形貌如图 1所示。基质一般选取低密度、高强度和耐Cl^-腐蚀性的材料，考虑引入Mg-Al形成金属合金作为可降解粉体材料的基质，在其表面均匀包覆一层Ni-Cu金属层，与基质形成固溶体或金属间化合物，既能提高其强度，又能与金属基质产生较高电势差。包覆层有一定的孔隙率，便于Cl^-的扩散渗透，发生腐蚀，直至完全降解。

1.2 结构

可降解桥塞作为水平井分段压裂重要的井下作业工具，其结构主要由推筒套、卡瓦座、卡瓦、锥体、胶筒和导向密封头等组成，如图 2所示。其中卡瓦座、锥体和导向密封头由可降解粉体材料通过粉末冶金法加工而成。可降解粉体材料在含氯离子溶液中发生电化学反应而实现完全降解，且氯离子浓度越高，温度越高，降解速度越快^[9]。

1.3 工作原理

可降解桥塞与坐封工具连接后下井，当桥塞下放置到设计位置后，此时推筒套为固定状态紧紧顶住第一卡瓦座。上提拉杆，固定销在一定拉力作用下均被剪断。通过拉杆拉动压块使其带动中心管上行，导向密封头随中心管上行压缩胶筒，同时推动第一卡瓦和第二卡瓦分别沿第一锥体斜面和第二锥体斜面运动，卡瓦外径扩大至套管内壁处，即与套管内壁接触咬合，此时桥塞固定在套管上完成坐封，而后可继续压裂作业；压裂作业完成后，井底温度升高，可降解桥塞中的可降解元件开始分解，直至胶筒失去压缩力而回弹，桥塞失去坐封作用，之前被桥塞封闭的层开始出液，省去了钻桥塞或者打捞桥塞释放油层的工序。该设计方案同时申请了国家发明和实用新型专利^[10-11]。

1.4 主要技术参数

可降解桥塞外径112 mm，长度780 mm，耐温150 ℃，耐压50 MPa，适用套管外径118~124 mm，降解时间5~10 d。

2 可降解桥塞承压性能试验

可降解桥塞、坐封工具及试验装置试制加工后，对桥塞试验样机进行室内承压性能试验，以检验其是否满足设计要求。通过计算确定坐封工具最大坐封力以及试验桥塞坐封压力，观察坐封压力与卡瓦锚定和胶筒密封的关系；然后对试验桥塞进行高温环境下反向承压性能试验，并记录试验数据。

2.1 基本工具

坐封工具外径114 mm，采用一级活塞坐封，活塞面积7 198 mm；试验桥塞外径112 mm；模拟井筒内径124 mm；试验中油浴加热；胶筒硬度90+75+90 HS (邵氏硬度)。

2.2 计算桥塞坐封压力

根据材料的拉伸试验测得材料的抗拉强度为83.64 MPa，胶筒直径40 mm，则坐封工具最大坐封力为：

式中：σ为抗拉强度，MPa；S₁为横截面积，mm；D为截面直径，mm；F_max为最大坐封力，kN。

根据最小坐封力试验测得试验桥塞坐封力为75 kN，小于计算值，因此坐封工具满足试验桥塞坐封力要求。试验桥塞坐封压力为：

式中：p为坐封压力，MPa；S₂为坐封面积，mm；F_min为最小坐封力，kN。

当坐封压力为10 MPa时，卡瓦无轴向移动，胶筒实现完全密封，成功坐封，反向亦可建立起坐封压力。

2.3 试验步骤

(1) 组装试验桥塞，桥塞上端连接坐封工具，坐封工具上安装阀门；

(2) 将试验桥塞放到ø124 mm模拟井筒中，胶筒和卡瓦牙全部覆盖；

(3) 在模拟井筒中油浴加热至120 ℃，保温30 min；

(4) 加压进行坐封试验，对坐封工具加压10 MPa，胶筒成功坐封后记录试验数据；

(5) 坐封后立即关闭阀门；

(6) 进行反向承压试验，最终达到50 MPa，稳压60 min，观察试验桥塞密封情况，是否移动，是否泄漏；

(7) 如无泄漏，泄压至30 MPa，温度升高至150 ℃，保温30 min；

(8) 再次加压至50 MPa，稳压60 min，观察试验桥塞密封情况，是否移动，是否泄漏；

(9) 如无泄漏，完全泄压，拆卸工具。

2.4 高温环境下室内承压性能试验

室内试验装置如图 3所示。将试验桥塞与液压坐封工具按顺序连接好，置入ø124 mm模拟井筒内预定位置。堵塞模拟井筒端口两端，井筒内注满油浴介质，加热至120 ℃，保温30 min；通过地面液压设备对坐封工具加压，中心管压力上升至10 MPa时，销钉被剪断，胶筒被压缩实现完全密封；坐封成功后立即关闭阀门，然后从模拟井筒另一端对桥塞反向试压50 MPa，稳压60 min，压力不降且无泄漏。120 ℃时试验桥塞反向承压压力曲线如图 4所示。

手动泄压至30 MPa，对模拟井筒外壁进行加热，当模拟井筒内油浴介质温度升高至150 ℃时，因受热均匀压力升高至39.1 MPa，保温30 min，压力升高至42.2 MPa，然后对试验桥塞反向试压50 MPa，稳压60 min，压力不降且无泄漏。150 ℃时试验桥塞反向承压压力曲线如图 5所示。

2.5 试验结果

试验桥塞解封拉力为51.4 kN，桥塞解封后上胶筒、中胶筒、下胶筒和中心轴均完好，锥体完好无变形，无裂纹，锥体卡瓦牙压痕明显。

通过对可降解桥塞试验样机进行高温环境下室内承压性能试验，试验结果表明：桥塞在坐封力10 MPa下成功坐封且坐封稳定；在120和150 ℃高温环境下均能满足50 MPa承压密封性能的要求。因此，研制的新型可降解桥塞满足各项技术指标，具备现场应用条件。

3 结论及建议

(1) 研制的新型可降解桥塞在120和150 ℃高温环境下均能满足50 MPa承压密封性能的要求，满足设计要求，具备现场应用条件。

(2) 新型可降解桥塞适用于水平井分段压裂工艺技术，为下阶段大规模和低成本应用可降解桥塞工具提供了有力的技术支撑。

(3) 建议对可降解桥塞进行不同工况下的力学性能测试，优化可降解桥塞的结构，提高其理论设计水平。

(4) 建议开展可降解材料的控制方法研究，建立可控降解速率的过程方法，提高可降解材料的综合应用性能。