安 杰，唐梅荣，张矿生，陈文斌，张 翔

(中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710021)

0 引 言

以复合桥塞分段多簇压裂工艺为主的水平井体积压裂技术在鄂尔多斯盆地实现了致密油单井产量的突破[1-6]，然而该工艺在压裂后需钻除桥塞以保持井筒全通径，钻塞作业中井控风险高、周期长、费用高。随着水平段长度不断增加，钻塞的难度更大，技术局限性愈明显[7-8]。全可溶桥塞分段压裂技术是一种新兴的非常规水平井体积压裂技术[9-12]，其兼具可钻式、免钻式复合桥塞分段多簇体积压裂工艺的诸多优点[13-14]。全可溶桥塞与复合桥塞相比，最大优势就是压裂后桥塞和封堵球可自行溶解，不需钻塞即可实现井筒全通径，实现压裂后直接投产。该技术国外已有应用，国内相关研究起步较晚，尚无矿场应用经验可供借鉴[15]。为解决该问题，引进了国外全可溶桥塞，对全可溶桥塞的优选、材料结构分析、溶解和承压性能室内实验评价、泵送桥塞关键参数的优化以及配套可溶封堵球的研制等方面开展了研究，并进行了规模化现场试验。试验结果表明，该技术提效降本效果明显，可为全可溶桥塞、可溶井下工具实现国产化提供技术借鉴。

1 工艺原理

通过电缆传输将全可溶桥塞、射孔枪和坐封联作工具串[16]泵送至井筒预定位置，启动坐封工具使全可溶桥塞脱离，全可溶桥塞上下卡瓦破碎并镶嵌在套管内壁上，胶筒膨胀贴紧套管，全可溶桥塞紧密坐封在套管上。上提电缆完成多簇射孔，然后从井口投入封堵球，封堵全可溶桥塞的中心管，整个桥塞完成封隔下层目的，然后进行光套管压裂施工。压裂施工期间，桥塞和封堵球溶解速度极低，不影响正常的承压、封隔性能，压裂后封堵球先于桥塞自行完全溶解，全可溶桥塞中心管道提供油流通道，油井可立即放喷投产，随着时间的推移，桥塞卡瓦、胶筒、本体完全溶解，无需钻铣作业即可实现全通径。

与普通桥塞压裂工艺相比，该工艺的最大优势是压裂后桥塞和封堵球可自行溶解，无需钻塞环节，可直接投产，缩短了作业周期，节约了作业成本，特别是在超长水平井体积压裂[17]时更具有明显的优越性。

2 全可溶桥塞的优选

调研了国内外全可溶桥塞技术的进展情况，国内受制于可溶材料的限制，尚无矿场试验经验可供借鉴；国外的哈里伯顿、贝克休斯等多家公司已有自主研发的全可溶压裂桥塞(表1)。哈里伯顿的Illusion®全可溶桥塞是市场上唯一可以完全溶解的压裂桥塞(图1)，该桥塞自产品发布以来在国外非常规油气井上已累计应用2 000多只，尚未发生失效案例。

表1 全可溶桥塞优选表

鄂尔多斯盆地致密油水平井的生产套管外径为139.7 mm，因此，优选与套管相匹配的、成熟度较高的Illusion®全可溶桥塞。其封堵形式为投球封堵，长度为443 mm，外径为111.1 mm，内径为44.0 mm。主要结构由中心管、上接头、上卡瓦、上锥体、胶筒、下锥体、下卡瓦、下接头等组成(图1)。主体材料由可溶解的高强度铝镁合金、可溶橡胶材料组成，耐压强度为350～650 MPa。

3 室内实验评价

3.1 溶解实验

溶解实验目的是评价全可溶桥塞的溶解程度及溶解时间。实验模拟井筒环境条件，温度为66～121 ℃，液体为清水和3%KCl、15%KCl溶液。将完整的全可溶桥塞放入与生产套管规格相同的实验套管中，加入清水或不同浓度的KCl溶液，并加温到设定的温度，定时测量并记录全可溶桥塞的长度和质量，将质量损失率和实验时间绘制成溶解曲线，评价其溶解效果。

图1 Illusion®全可溶桥塞结构

图2为在3%KCl溶液中的溶解实验曲线。由图2可知：全可溶桥塞的溶解速度和时间基本呈线性增加关系，随温度的升高，全可溶桥塞的溶解速度加快。温度为66 ℃时，27 d内可完全溶解；温度为93 ℃时，18 d内可完全溶解；温度为121 ℃时，14 d内可完全溶解。

图2 在3%KCl溶液中的溶解实验曲线

图3为93 ℃时在不同矿化度溶液中的溶解实验曲线。由图3可知：清水中，30 d后桥塞的质量损失率可达50%；3%KCl溶液中，18 d后桥塞可完全溶解；15%KCl溶液中，约14 d后桥塞可完全溶解。实验结果说明，全可溶桥塞可以在清水中溶解，但溶解速度较慢，随溶液矿化度增加，桥塞的溶解速度加快，14 d后基本完全溶解。

图3 93℃下不同矿化度溶液中的溶解实验曲线

溶解实验中，桥塞溶解主要分为3个阶段：第1阶段是桥塞金属本体快速溶解，此阶段金属材料与溶液发生化学反应，产生的大量气泡携带走溶解物，提高了溶解速度；第2阶段是橡胶结构强度变弱，出现开裂、掉块现象；第3阶段是橡胶彻底丧失强度，由块状变成小颗粒，溶于液体，呈黏稠液态状，在流体作用下，黏稠液态物质被冲走分散。

3.2 耐温承压实验

将已坐封好的全可溶桥塞套管短节水平放置，两端通过丝扣连接液压堵头。利用液压接头将100 MPa的液压泵与液压堵头连接，套管外壁安装加热器，实验温度分别为地层温度66 ℃和预测地层最高温度93 ℃，分别加压50、70 MPa(井筒限压为70 MPa)，实验时间为6 h。通过观察压力是否稳定、有无液体渗漏来评价不同温度条件下全可溶桥塞的承压性能。

实验结果表明，全可溶桥塞在上述实验条件下，6 h内均未出现渗漏现象。说明全可溶桥塞在93 ℃、70 MPa环境下的耐温承压性能稳定，可完全满足现场施工要求。

4 可溶封堵球

可溶封堵球主要用于封堵桥塞中心管的通道，在压裂时起封隔下层的作用[18]。施工结束后封堵球可自行溶解，桥塞中心管通道畅通，为油气介质提供流动通道。针对进口的可溶堵球价格昂贵的问题，自主研制了配套的可溶封堵球，成本较进口堵球降低60%。其由高强度铝镁合金、溶解功能添加剂、金属氧化物等材料构成，通过粉末冶金法制备[19-20]，可溶堵球直径为54.0 mm，具有溶解速度先慢后快的特点。

在压力为70 MPa、温度为80 ℃的EM系列压裂液环境中测试其溶解性能(图4)。由图4可知：开始10 h内，堵球溶解速度较慢，直径减少3.5 mm，无刺漏泄压迹象，表明在压裂施工期间可溶堵球承压、封隔性能较好；之后堵球溶解速度加快，25 h时堵球直径为34.6 mm，远小于桥塞中心管道内径(45.0 mm)，完全丧失了封堵性能，在地层压力作用下残留堵球和油气将从桥塞中心管道被冲洗出来，实现快速投产；80 h后堵球消失，彻底溶解在溶液中。

图4 封堵球溶解曲线

5 泵送施工参数优化

为检验全可溶桥塞、射孔投放联作工具串在井筒中的通过性，测试电缆拉伸强度，检测桥塞的坐封、封隔性能，研究最佳的泵送施工参数，在地面建立了一套长300 m的模拟水平井套管结构的泵送实验系统，开展了泵送全可溶桥塞地面实验。实验结果表明：泵送过程顺畅，全可溶桥塞、射孔投放联作工具串在套管、套管结箍处通过性良好；桥塞坐封和投球封堵桥塞中心管作业成功，在70 MPa压力下桥塞没有发生移动和刺漏迹象，说明其坐封可靠、承压稳定。泵送过程受施工参数影响[21]，以安全高效为目的优化了泵送施工参数(图5)。由图5可知：在井斜角小于30 °的直井段，不需要启动泵车，可利用重力作用下放工具串，电缆下放速度随井斜角的增大由3 000 m/h减小至400 m/h，电缆张力为2.0～5.0 kN；井斜角大于30 °时，需开启地面泵车进行泵送，初始排量为0.4 m3/min，泵送排量和电缆下放速度随井斜角的增大而增大，当泵送排量为2.5 m3/min时，电缆下放速度达到1 500 m/h，此时电缆张力值为13.6 kN，由于电缆张力安全限值为15.0 kN，考虑水平段井筒情况复杂，为确保电缆安全，因此，泵送最大排量限定为2.5 m3/min，电缆下放速度控制在1 500 m/h以内。

图5 泵送桥塞施工参数图版

6 现场试验及效果分析

长庆油田在西XX区建成了致密油水平井全可溶桥塞体积压裂规模试验示范区，现场试验25口水平井，应用全可溶桥塞500余个，桥塞泵送、坐封成功率和封隔有效率均为100%，封堵球20 h内溶解，压裂后油井可快速投产，桥塞在15 d内基本溶解，通井畅通，无需钻塞作业。

典型井例。西平XX井井深为4 915 m，水平段长度为2 740 m，采用P110钢级、Φ139.7 mm套管完井。该井设计采用全可溶桥塞体积压裂工艺，设计压裂30段106簇，使用29个桥塞，桥塞泵送排量为0.4～2.4 m3/min。在井斜角小于30 °时，电缆下放速度为400～2 950 m/h；井斜角大于30 °时，电缆下放速度为410～1 450 m/h，电缆张力为4～12 kN。压裂施工排量为10～12 m3/min，砂比为11%～16%，入地液量为50 191 m3，砂量为4 401 m3。压裂后立即放喷投产，试油日产油为118.3 t/d，投产初期日产油为32.7 t/d，截至目前，累计产油13 866.0 t。

压裂后15 d和30 d时分别下油管进行通井作业，验证桥塞的溶解程度。生产15 d时，通井遇阻概率约为2%，洗井作业返排出小片状桥塞本体材料，表明桥塞并没有彻底完全溶解，但其金属坐封、封隔机构已失效，残余桥塞可人工推移至井底，不影响油井正常生产；生产30 d时，洗井作业返排物呈黏稠液状，看不到桥塞残留物，通井几乎没有遇阻，顺利通至人工井底，表明桥塞已完全溶解。

效益评价：应用全可溶桥塞代替可钻复合桥塞，压裂后桥塞自行溶解，省略了钻塞作业，单井试油周期缩短30%，作业成本降低20%；引进的全可溶桥塞单只成本较可钻复合桥塞高60%，但通过规模应用，单只成本可比可钻复合桥塞低30%；自主研制的配套可溶封堵球成本约为进口封堵球的1/3。综上所述，该技术规模化应用后，综合成本可降低36%，施工效率和经济效益显著。

7 结 论

(1) 全可溶桥塞满足无限级多段、多簇射孔及大排量体积压裂要求，坐封成功率和封隔有效率为100%；桥塞在15 d内基本溶解，30 d内完全溶解，解决了压裂后的钻塞难题，缩短试油周期，降低作业成本，提效降本成果显著，具有较好的推广应用前景。

(2) 配套研发的可溶堵球承压、封隔性能稳定，20 h后即可全溶解，实现压裂后快速投产，成本仅是进口封堵球的1/3。

(3) 建成了致密油水平井全可溶桥塞体积压裂技术规模应用示范区，填补了国内该项技术矿场应用的空白，为全可溶桥塞实现国产化提供了宝贵的技术借鉴。