(中国石油集团长城钻探工程有限公司压裂公司，辽宁 盘锦 124010)

桥塞工具作为页岩气分段压裂改造的主体工具，在北美超过85%的页岩气井中使用[1,2]，而国内页岩气井则全部采用桥塞工具进行压裂施工改造。相比较速钻桥塞、大通径桥塞，可溶桥塞在压后一定时间内，桥塞本体和胶筒等自行溶解，可实现套管全通径生产，具有综合成本低、投产时间短、降低作业风险以及可实现二次改造的优点[3]。2016～2017年，国内各大页岩气区块从局部井段试验可溶桥塞扩展到全井段应用。但国内应用的可溶桥塞基本依赖进口，成本高昂，且未达到完全可溶。因此，开展国产可溶桥塞工具的研制，有利于降低国内页岩气储层改造成本，提高改造效果。笔者通过对比国内外可溶桥塞性能，自制了页岩气井可溶桥塞工具，并在四川威远、黄金坝等区块页岩气井开展了现场试验，对页岩气井的开发具有重要的意义。

1 国内外可溶桥塞性能对比

图1 国内外可溶桥塞

国外几大油服公司均有自己的可溶桥塞产品，如贝克休斯公司Spectre可溶桥塞(见图1(a))、哈里伯顿公司Illusion可溶性桥塞(见图1(b))、Magnum公司的MVP可溶桥塞(见图1(c))、斯伦贝谢公司的Infinity可溶球座(见图1(d))、Target公司的Loadstar可溶桥塞(见图1(e))，国内中国石油勘探开发研究院(以下简称“中石油勘探院”)的SHARK可溶桥塞(见图1(f))。

斯伦贝谢公司Infinity可溶球座区别于传统的桥塞结构，不含橡胶件，在使用中需要在下套管时提前预制套管短节，但其下入和使用方式均和其他可溶桥塞相同。国内外可溶桥塞参数对比见表1，中石油勘探院可溶桥塞工具外径最小，下入性优于国外工具。但所有的可溶桥塞压后15d均未完全溶解，都需要连续油管带磨鞋通井[4]。

表1 国内外可溶桥塞参数对比

2 可溶材料的合成与评价

2.1 可溶金属

可溶金属材料主要有镁基可溶金属和铝基可溶金属2大类，通过添加稀土元素、重金属元素等进一步提高材料的强度，同时降低耐电解质腐蚀性能[5～9]，其溶解机理是基于不同金属在电解质溶液中的电化学原理。通过烧结法和高温拉制法制备了3种标号的可溶金属材料，力学性能测试结果如表2所示。3种标号可溶金属材料的拉伸强度均不低于320MPa，抗压强度不低于78MPa，满足现场耐压指标(70MPa)的要求。

表2 可溶金属材料的力学性能

从图2和图3可以看出，可溶金属的溶解性能与温度、盐溶液质量分数相关，在相同质量分数盐溶液的环境下，随着温度的升高，溶解速度加快；在相同温度的环境下，随着盐溶液质量分数的提高，溶解速度加快。可溶金属溶解物呈细砂状，烘干后为粉末。采用XRD检测可溶金属溶解物，其主要成分为氢氧化镁，激光粒度仪测得溶解物粒径小于0.3mm，满足页岩气井返排的要求。

图2 不同温度下溶解时间的变化 图3 不同KCl质量分数下溶解时间的变化

2.2 可溶胶筒材料

图4 可溶胶筒材料浸泡后的硬度变化

现有的可溶胶筒材料可分为水溶胶筒和降解式胶筒。从溶解物来看，水溶胶筒的溶解物呈泥状、无强度，而降解式胶筒的溶解物为胶筒碎片。因此，前者的溶解性能要优于后者，但是后者的强度要优于前者。笔者用氢化丁腈橡胶(HNBR)作为水溶胶筒主体材料，通过添加促进剂TMTD和军工材料来调节硬度和亲水性能。实验室中测取其抗拉强度≥280MPa，邵氏硬度≥85。

将胶筒材料放置在100℃水浴槽中，测量硬度变化情况，如图4所示。可溶胶筒在100℃水溶液中保持硬度3d不变化，满足页岩气现场施工要求。

3 可溶桥塞工具结构设计

3.1 可溶卡瓦

由于可溶材料强度较低，因此需通过减少卡瓦应力来优化卡瓦结构，满足页岩气压裂锚定桥塞的需要。施工套管直径为114.3mm,卡瓦牙半径为4.5mm,计算可溶桥塞承受70MPa压差时的每个卡瓦牙挤压应力。

桥塞受力：

F=pS=70×3.14×(114.3/2)2=717893.7(N)

式中：F为70MPa压差时桥塞受力，N；p为压力，MPa；S为套管管内面积，mm2。

按照八瓣卡瓦，计算卡瓦牙极限状态下的挤压应力：

式中：p1为单个卡瓦牙挤压应力，MPa；S1为卡瓦牙面积，mm2。

若按照四川页岩气井正常施工时桥塞上下真实压差为45～55MPa计算，单个卡瓦牙挤压应力229～280MPa，卡瓦基体的安全系数为1.36～1.67。

3.2 可溶胶筒

在现有封隔器、桥塞的基础上，结合胶筒和密封组件设计原理，提出了一种分瓣式支撑环结构，为高压力下桥塞的密封提供强度支撑，如图5所示。在坐封工具推力的作用下，分瓣式支撑环沿背环斜面爬升，直至支撑环的外表面与套管内壁接触。压裂时，在高压下胶筒朝着压力低的方向变形，直至遇到撑起的支撑环，阻止胶筒继续变形，保障了胶筒密封性能。

3.3 上接头

原有上接头与球接触的是一个直角(见图6(a))，考虑到可溶压裂球在3～5m/s的高速运动下到达桥塞位置时，碰到该直角时有可能造成压裂球损伤，导致密封不严的情况[10]。为此，优化后的斜面接触减轻了对可溶球的损坏(见图6(b))。

图5 可溶胶筒密封组件结构设计(试验后) 图6 上接头结构示意图

3.4 可溶桥塞

成型后的可溶桥塞见图7，包含卡瓦锚定机构、密封承压机构、丢手机构及防提前坐封机构等。桥塞参数见表3，Y45R-92主要用于页岩气套变井，配套使用贝克10#加强型坐封工具(外径70mm)；Y45R-98主要用于页岩气常规井，配套使用贝克20#坐封工具(外径97mm)。

图7 优化后的可溶桥塞结构

桥塞规格外径/mm内径/mm长度/mm可溶球直径/mm适应套管内径/mmY45R-92982547045114.3～115Y45R-98983543050114.3～118

4 可溶桥塞试验

4.1 试验井模拟

井况：温度80℃，滑溜水质量浓度15000mg/L。将可溶桥塞下入试验井中浸泡8h，坐封丢手，累计浸泡24h后投球打压至70MPa，保压4h后压降0.8MPa，继续浸泡179h完全溶解。表明该可溶桥塞的丢手、承压及溶解性能满足四川页岩气井现场施工要求。

4.2 现场应用

2017年12月起，可溶桥塞在四川威远、黄金坝等页岩气区块累计施工7口井，共实施36段可溶桥塞，施工成功率100%，验证了桥塞下入、坐封丢手、密封承压性能及溶解性能，说明自主研制的可溶桥塞已达到国内外同类工具水平，满足现场施工要求。

5 结论

1)开展了可溶材料的小样合成试验，并从力学和溶解性能方面进行了评价，制备了满足四川页岩气井况要求的可溶金属和可溶橡胶材料。

2)针对可溶材料的性能参数，进行了可溶桥塞整体结构设计，模拟了四川页岩气施工井况并成功进行了可溶桥塞的丢手、密封承压以及溶解性能室内试验，完成了可溶桥塞的结构设计及定型。

3)自研可溶桥塞在四川威远、黄金坝等区块试验成功率为100%，验证了该桥塞满足页岩气井的施工要求，达到了国内外同类工具的水平。