0 引言

“泵送桥塞+射孔联作”水平井多级分段压裂技术是目前国内外非常规油气藏增产改造的主体技术。工艺中采用的快钻电缆桥塞由复合材料制备而成，易于钻除，可保证井筒畅通；同时钻屑密度小，可用低密度液体循环至地面，不易污染油层。该工艺通过电缆加液力泵送将桥塞送至水平井段中的目的位置，然后利用坐封和射孔进行套管压裂，依次类推，分段压裂级数不受限制，能实现大规模大排量体积压裂。压裂完成后下入磨铣工具一次性钻除各级桥塞，实现完井投产。

该工艺是目前北美地区和国内页岩气储层改造采用的多级分段压裂技术之一。快钻电缆桥塞是该工艺的关键工具。国外快钻电缆桥塞技术成熟但价格高昂，国内仅有几家油田为降低非常规油气藏开发成本，对快钻电缆桥塞进行了国产化研究。河南油田非常规页岩油气资源储量丰富，对水平井多级分段压裂技术需求迫切，基于此也开展了快钻电缆桥塞的研制工作。

1 技术分析 1.1 结构

快钻电缆桥塞由4大机构、15个主要零件构成^[1-3]。4大机构分别为：丢手机构、密封机构、锚定机构和防转机构。15个主要零件为：上接头、密封球、中心管、膨胀销、坐封压环、防坐封销、卡瓦主体、卡瓦牙、锥体、外包环、内包环、边胶筒、中胶筒、止动环和下接头等。图 1为快钻电缆桥塞结构示意图。

1.2 工作原理

在坐封工具坐封套的推动下，快钻电缆桥塞下锥体上行，防遇阻销钉剪断，上卡瓦、上锥体、胶筒和下锥体一起下行，胶筒受挤变形扩张，上卡瓦和下卡瓦张开，紧贴套管内壁封隔油套环空，实现坐封和双向锚定。坐封力继续增大，剪断装在膨胀销中连接坐封工具和快钻电缆桥塞的丢手销钉，实现丢手。

1.3 性能特点

(1) 快钻电缆桥塞的卡瓦为复合材料制作的主体和金属卡瓦牙通过模压组合成的组合式卡瓦，即通过金属卡瓦牙实现可靠锚定，通过复合材料卡瓦主体减少了金属用量，提高了桥塞的可钻性。

(2) 快钻电缆桥塞的金属膨胀销穿过上接头和中心管，然后通过装在其内部的丢手销钉与桥塞坐封工具相连。在局部实现了金属膨胀销剪切金属丢手销钉的状态，提高了丢手的可靠性。同时由于不用通过中心管剪切丢手销钉，降低了对中心管复合材料的强度要求，降低了成本，提高了桥塞的可钻性。

(3) 快钻电缆桥塞的卡瓦与锥体采用6个平面槽配合，钻磨时不易发生相对转动，提高了钻除效率。

1.4 主要技术参数

耐温150 ℃，耐压差70 MPa，坐封力180 kN，丢手力220 kN，最大外径111 mm，总长680 mm。

2 复合材料试制研究

根据快钻电缆桥塞耐温150 ℃、耐压差70 MPa，工作介质为线性胶、滑溜水及胍胶等压裂液，且需易钻磨的使用要求，选择用碳纤维增强材料和树脂基体复合的复合材料制备桥塞的上接头、密封球、中心管、坐封压环、防坐封销、卡瓦主体、锥体、边胶筒、中胶筒、止动环及下接头等零件^[4]。复合材料的试制需要不断开展各项性能试验来寻找合理的配方，为快钻电缆桥塞整机的可靠性提供材料基础。

2.1 复合材料的力学性能试验

快钻电缆桥塞需要完成压裂施工，因此要求材料的力学性能满足压裂施工的常规技术指标，即耐温150 ℃，耐压70 MPa。因此开展了小样试验，以检验其在不同温度及不同介质浸泡后的力学性能，评价其是否满足桥塞现场试验的强度要求，为完善快钻电缆桥塞技术提供依据。图 2为复合材料力学性能试验小样。

试验时将复合材料试件分别在常温和150 ℃条件下置于空气、活性水、0号柴油及胍胶中浸泡24 h, 再放置于万能材料试验机上进行力学性能测试，试验数据见表 1。通过桥塞各不同几何尺寸零件的强度校核，该材料力学指标满足设计要求。同时该数据也为桥塞各零部件几何尺寸的优化设计提供了依据。

2.2 复合材料的易钻性能试验

易于钻除是快钻电缆桥塞对其制备用料的特殊要求，因此在复合材料研究过程中，必须通过开展小样的钻除效率试验来验证复合材料的易钻性能。

试验时将复合材料试件制成与桥塞的几何尺寸吻合的圆筒件，用特殊工装 (见图 3) 将其固定，再利用钻具对其钻磨，模拟桥塞在井下被钻磨的状态，记录钻除效率，判断合成复合材料的易钻性。表 2为复合材料的试验数据。此试验表明，复合材料整体钻磨效率高，满足桥塞的易钻性要求。同时说明不同成型方式的材料易钻性不同，这也为桥塞各零部件材料的选择提供了依据。

2.3 复合材料的化学稳定性试验

快钻电缆桥塞工作时常需与活性水、胍胶和原油等介质接触，复合材料在这些介质中的化学稳定性决定了快钻电缆桥塞各零部件是否能够正常动作，因此该项指标的试验研究也至关重要。

试验时将复合材料制成为20 mm×20 mm×20 mm的立方体试样 (见图 4)。将试件分别在常温和高温条件下放置于空气、活性水、0号柴油及胍胶中浸泡24 h后，测试材料的膨胀率。复合材料膨胀数据见表 3。试验结果表明：高温时，复合材料会产生较微小的膨胀变形，总体来说化学稳定性较好。试验数据为快钻电缆桥塞关键零件间配合尺寸的设计提供了依据，保证了桥塞各零件能够在这些介质中正常工作。

3 试验情况 3.1 桥塞整机室内试验

为验证快钻电缆桥塞各机构的运动可靠性、丢手机构的丢手可靠性、锚定机构的锚定能力、密封机构的常温和高温承压差能力，对快钻电缆桥塞进行了整机试验。

快钻电缆桥塞整机组装完成后，先利用坐封工具，将桥塞在Φ139.8 mm (5 1/2 in) 短套管中坐封和丢手；再将短套管加压头，完成桥塞常温耐压试验 (见图 5)；最后给短套管接专用设备，下入Φ177.8 mm (7 in) 油浸罐，完成高压耐温试验^[5]。

试验结果显示：在地面将桥塞正常坐封、丢手后，常温加压50 MPa不漏失 (出于安全未升至70 MPa)。下入油浸罐中，加压70 MPa，不漏失；升温至150 ℃恒温24 h，不漏失；恒温150 ℃，加压40 MPa，稳压2 h，不漏失；恒温150 ℃，加压至60 MPa，稳压2 h，不漏失；恒温150 ℃，加压至70 MPa，稳压2 h，不漏失；恒温150 ℃，加压至75 MPa，压力突降，反复补压无效。

上述试验结果说明：快钻电缆桥塞能够在0号柴油150 ℃恒温浸泡24 h后，耐压差70 MPa，稳压时间达120 min以上。

3.2 桥塞现场试验

由于在桥塞研发阶段河南油田未部署非常规水平井，无法开展多级分段压裂试验，所以在水平井及大斜度井上开展了堵水施工应用^[6-8]。表 4为快钻桥塞现场试验数据。试验中双浅平1井、下T4-376井和下新5-92井未开展桥塞钻除作业，其余2井桥塞的钻除时间短于60 min，相比常规工艺的钻除时间 (7~8 h)，钻除效率大大提高。试验结果显示：快钻电缆桥塞在水平井能够可靠下入，桥塞坐封、丢手、锚定和密封均可靠，桥塞能够被快速钻除。

4 结束语

河南油田非常规页岩油气资源储量丰富，对水平井多级分段压裂技术需求迫切。为此，笔者研制了快钻电缆桥塞，同时对桥塞卡瓦的复合材料进行了力学性能试验、易钻性试验和化学稳定性试验，在此基础上对桥塞整机进行了试验。试验结果表明：该桥塞在水平井能够可靠下入，桥塞坐封、丢手、锚定和密封均可靠，能够被快速钻除，现场耐温150 ℃，耐压差达70 MPa，满足非常规油气资源的开发要求。快钻电缆桥塞的研制成功促进了国内分段压裂技术在非常规油气资源开发中的应用。