摘 要

摘　要：桥塞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之一，具有分段压裂层数不受限制、能实现大规模大排量体积压裂、桥塞钻铣完后井筒畅通等优势，其技术核心是

摘　要：桥塞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之一，具有分段压裂层数不受限制、能实现大规模大排量体积压裂、桥塞钻铣完后井筒畅通等优势，其技术核心是桥塞工具。但此前该技术和速钻桥塞均需进口，价格高且影响非常规气藏工业化开发的周期。通过力学分析、结构优化、材料优选和实验评价，成功开发出了具备高钻磨效率和高密封承压能力的新型速钻复合桥塞，并实现了复合材料生产成型、桥塞设计加工国产化。新型速钻复合桥塞主要包括丢手机构、锚定机构和密封机构，其中丢手机构通过剪切销钉控制坐封工具与桥塞丢手；锚定机构具有芯轴防转动和防下移功能，可有效提高钻磨效率；密封单元和保护套采用弧面结构设计，能提高密封承压能力。其主要部件均采用特殊增强材料和树脂基体复合而成，并经过缠绕和模压等工艺加工成型，材料强度高、可钻性好、钻屑易返排。新型速钻复合桥塞已现场应用20余井次，动作灵活、密封可靠、钻磨效率高，能够满足非常规气藏储层改造的要求。

关键词：复合  速钻桥塞  模压成型  缠绕成型  钻磨  分段压裂X-具  国产化  页岩气

Development and application of a new fast-drilling composite plug

Abstract：As one of the main unconventional reservoir stimulation technologies，bridge plug staged fracturing is widely used in the world at present．With the bridge plug as the key tool，this fracturing technology has the advantage of unlimited fracturing stage，large scale and high rate SRV fracturing，and smooth flow in wellbore after drilling and milling．Unfortunately，the technology and fast drilling bridge plug need to be imported at a high price thus affecting the cycle of commercial development of unconventional gas reservoirs．A new fast drilling composite bridge plug has been developed after mechanical analysis，structure and material optimization，and experimental evaluation，thus significantly enhancing the efficiency of drilling and milling and loading capacity，and making localized the production and molding of this composite material as well as the plug design and manufacturing．This new fast drilling plug includes releasing，anchoring and sealing gadgets．The releasing gadget controls sitting tool and plug releasing by a shear pin．The anchoring gadget can prevent mandrel rotation and moving down，thus enhancing the drilling and milling efficiency．The loading capacity of sealing element and protective envelope is improved by adopting an arc surface design．The main elements are all composed of a special reinforced material and resin matrix，and shaped through filament winding and cornpression molding．Such a design brings about high drillability and easy flowback of drilling cuttings．The application of this new plug to more than 20 wells has proven that it is flexible in operation，reliable in sealing and high in drilling and milling efficiency，satisfying the requirement of unconventional reservoir stimulation．

Keywords：composite，fast drilling bridge plug，formed by compression molding，formed by filament winding，drilling and milling，staged fracturing，tool，shale gas

速钻桥塞分段压裂技术因其不受分段压裂层数限制，能实现大规模大排量体积压裂，桥塞钻铣完后可保证井筒畅通，是目前国内外非常规油气藏增产改造的主体技术。主要工艺是通过连续油管或电缆加液力泵送桥塞至目标位置，然后利用坐封、射孔，再进行套管压裂，依次类推，坐封桥塞、射孔、压裂联作，最后下入磨铣工具一次性钻除各级桥塞，实现完井投产。

目前北美地区页岩气开发井普遍采用该技术进行多级分段压裂改造，国内页岩气储层改造也主要采用复合桥塞分段压裂^[1-2]。速钻复合桥塞是该技术的关键工具，国外复合材料生产水平先进，速钻复合桥塞技术成熟，处于技术垄断地位；国内对速钻复合桥塞研究起步晚，桥塞生产技术尚不成熟。为满足国内非常规油气藏勘探开发需要，自主开发出了高钻磨效率和高密封承压能力的新型速钻复合桥塞，实现了复合材料生产成型、桥塞设训‘加工完全国产化。

1　新型速钻复合桥塞结构设计

1．1　结构及原理

速钻桥塞包括丢手机构、锚定机构和密封机构，主要由丢手接头、防转帽、推筒、整体式卡瓦、锥体、保护套、外胶筒、中胶筒、防转接头、泵送环等零件组成，结构如图1所示。

 

丢手机构包括剪切销钉和丢手接头，当桥塞坐封后，通过剪切销钉实现坐封工具与桥塞丢手、释放桥塞。锚定机构包括卡瓦、锥体、箍圈、挡环及定位销钉，主要功能是坐封时锥体胀破卡瓦，将桥塞锚定在预定的套管内壁上，为桥塞定位提供足够的轴向锚定力，为胶筒提供锁定功能，进而为桥塞密封提供保障。密封机构由上中下3个胶筒和保护套构成，主要功能是在外力的挤压下胶筒产生形变封隔套管环空，固定式和活动式肩部保护组件通过外力挤压产生径向变形为胶筒提供肩部保护作用^[3]，借此提高胶筒的密封性能，实现桥塞的高压密封能力。

1．2　结构特点

该新型复合桥塞除了卡瓦及密封元件外，其余主要部件均采用复合材料制成，其强度、耐压耐温与同类型的金属桥塞相当，且其可钻性强，磨铣后产生的碎屑由于密度小，容易循环带出地面，克服了磨铣普通桥塞时钻磨困难、容易卡钻等困难^[4-5]。

新型桥塞具有芯轴防转动和防下移结构，有效提高了钻磨效率。密封单元和保护套采用弧面结构设计，增大了密封单元的接触面积，提高了密封承压能力。

2　复合材料研究

根据桥塞承高压易钻磨的使用要求，选择特殊增强材料和树脂基体生产复合材料，使该复合材料具有强度高，易钻磨的特性^[6]。经特殊工艺成型，这种复合材料的轴向抗压强度可在500～800MPa。桥塞中心管、防转帽、挡环、推筒、锥体、胶筒座均是采用该复合材料制成。

2．1　增强材料

碳纤维是制造复合增强材料的重要组分之一，具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性。该碳纤维不仅抗拉强度大，而且耐腐蚀性能比较好，能够在压裂或者酸化井的强酸性环境中使用，且能达到基本性能稳定。同时该材料具有相对密度小、重量轻、强度高、比强度大的优点，满足了桥塞要求易于泵送、在井底承受高压的要求。该材料强度高，脆性大，易于钻磨。

2．2　树脂基体

复合材料的树脂基体是由人工合成的高分子化合物，在复合材料成型过程中，树脂基体经过复杂的物理化学变化过程，固定纤维位置、保护纤维免受外界环境的侵蚀，同时与增强纤维复合成具有一定形状的整体，便于加工成桥塞需要的形状^[7]。当桥塞在井底承受批力或者压力时，外力作用下树脂基体在纤维之间传递载荷并使载荷在复合材料内部实现均匀分布，提高了桥塞复合材料的整体力学性能。

3　复合材料成型工艺

针对桥塞各零部件的不同受力状况，采用了缠绕成型和模压成型两种不同的成型工艺。对于中心管、防转帽等受拉部件，采用缠绕成型工艺；而推筒、锥体、保护套等受压部件则采用模压成型工艺^[8]。部分成型设备如图2、3所示。

 

 

3．1　缠绕成型工艺

缠绕成型是在控制纤维张力和预定线型的条件下，利用了浸胶机、缠绕机等设备将连续的纤维粗纱或布带浸渍了特殊树脂胶液后缠绕在相应制品内腔尺寸的芯模或内衬上，使用固化炉控制升温率加热至设定温度，使复合材料固化成要求的形状。

3．2　模压成型工艺

模压成型工艺是将预混料或预浸料经加热、加压固化成型的方法。把浸过胶的高强纤维布经过烘炉烘至半干，检测其含胶量。若含胶量不符合要求，则调整胶辊增加或减少含胶量。把检测合格的纤维布裁成布片，裁片数量按照制品厚度与单层厚度计算所得，通常厚度比理论厚度增加0.5mm为合适。调整纤维布铺层及钢板，推入模压机模压成型。

4　室内实验

新型速钻复合桥塞、配套工具及试验装置试制加工后，完成了胶筒耐温实验、卡瓦破碎实验、高温密封承压实验和钻磨实验等室内结构性能测试实验65套次，新型速钻复合桥塞达到了设计要求。

4．1　胶筒高温实验

将新型胶筒浸泡在油基泥浆中加热到l50℃、保温168h后，测得胶筒高温时比试验前外径增加1.2mm，内径增加0.8mm，长度增加2.1mm。冷却后胶筒比试验前外径增加0.3mm，内径增加0.4mm，长度增加0.5mm。胶筒泥浆环境中热变形量小，符合要求。

4．2　卡瓦胀破实验

将新型复合桥塞锥体锥入卡瓦，放在拉压实验机实验工作台上(如图4所示)，拉压机向锥体缓慢垂直加载直到卡瓦破裂，测试卡瓦破裂所需载荷^[8]。经反复10次测试实验，卡瓦沿应力槽破裂，破裂加压载荷为25～30kN。

 

4．3　高温密封承压实验

将桥塞与液压坐封工具按要求连接好，置入试验套管内的预定位置。堵塞试验套管两端口，套管内注满试验介质，将介质加热至l50℃并保温5h；再向坐封工具加压，憋压至28 MPa时桥塞完成坐封，继续升至35MPa成功丢手；然后，分别从试验套管两端试压70MPa稳压l80min，压力不降。

4．4　钻磨实验

将坐封有新型速钻复合桥塞的试验套管固定于专用钻磨试验架上，如图5所示，用Æ73mm螺杆马达带专用磨鞋，水泥车泵注清水驱动螺杆马达，进行了5套桥塞钻磨实验，其实验数据如表1所示。

 

 

5　现场应用

自主研制生产的新型速钻复合桥塞已成功应用已20余井次，桥塞动作灵活，密封可靠，钻磨效率高，表2为其中5口井的施工参数，下面针对某一实例井的应用情况进行分析。

 

5．1　实例井基本情况

实例井是l口水平开发井，完钻井深3425m，入靶点井深2535m，人工井底深度3405m，水平段总长890m，地层压力为38.4MPa，地层温度为88℃，储层岩性为灰白色细砂岩。各施工井段主要储层参数如表3所示。采用新型速钻复合桥塞分8段压裂，施工注入方式为Æ114.3mm光套管注入。

 

5．2　施工步骤

1)连续油管连接模拟通井管柱通井，通井后起出通井规。

2)安装射孔枪，连续油管送射孔枪，对第一施工井段射孔，射孔后起出射孔枪。

3)采用光套管注入方式进行第l段加砂压裂。

4)第1段压裂施工结束后，利用电缆下入复合桥塞坐封射孔联作管串。

5)速钻复合桥塞到达预定深度，校深定位，点火坐封速钻复合桥塞暂堵第1施工井段。

6)坐封工具与速钻复合桥塞丢手后上提射孔枪至第2施工段，校深定位后进行射孔，起出坐封工具和射孔管串，检查射孔枪发射情况。

7)采用光套管注入方式进行第2段加砂压裂。

8)重复4)～7)步骤，完成第3～8段加砂压裂施工。

9)压裂施工结束，拆压裂井口，安装连续油管钻磨设备，钻磨所有复合桥塞。

10)钻磨完所有复合桥塞后进行放喷、排液及测试投产。

5．3　压裂施工参数

该井8段压裂施工共注入地层液体总量3949.44m³，加入陶粒207.93m³，最高施工压力80MPa，最高砂浓度394kg／m³，最大施工排量9.8m³／min。各段压裂施工参数如表4所示。

 

5．4　钻磨桥塞

压裂施工结束后，用连续油管带钻磨工具串对入井的复合桥塞进行钻磨，钻磨参数如表5所示。

 

6　结论

1)该新型桥塞结构设计具有较大创新性，提高了桥塞的密封可靠性和易钻性。

2)根据桥塞结构及力学分析，结合复合材料特性及桥塞各部件的不同使用要求，完成了复合材料的化学稳定性、力学性能及钻磨性能的研究，使新型桥塞具有强度高、易钻磨的特点。

3)根据桥塞零部件的不同受力状况，制定了相应的复合材料成型工艺路线，形成了模压成型和缠绕成型两条复合材料生产线。

4)经室内实验和现场试验证明：自主研制生产的桥塞动作灵活，密封可靠，钻磨效率高，能够满足非常规气藏储层改造的要求。

 

参考文献

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本文作者：叶登胜  李斌  周正  潘勇  尹丛彬

作者单位：中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司