高强度可溶桥塞结构设计与应用

2020-06-16郭鸣詹鸿运冯强李梅韩永亮段云刚

石油钻采工艺 2020年1期

郭鸣詹鸿运冯强李梅韩永亮段云刚

1.中国石油渤海钻探工程技术研究院；2.中国石油渤海钻探第二固井公司

近年来国内水平井数量快速增加，低渗透水平井比例越来越高，而水平井分段压裂技术是大幅度提高低渗透水平井单井产量使其获得高效开发的有效手段。桥塞可以实现套管完井水平井不限级数压裂，可以有效封堵油气层［1-3］。常规使用的复合桥塞［4］在完成坐封封堵后，需使用连续油管等进行钻塞，生产成本高，作业周期较长。在复合桥塞的基础上研制出可溶桥塞及配套工具，可溶桥塞能够有效实现坐封封隔，并且不需要进行钻除，压后可在返排液中有效地溶解，实现井筒内全通径。另外，为了实现可溶桥塞在井筒内可靠坐封锚定，并且承受井筒内高压，可溶桥塞采用高强度可降解材料。高强度可溶性复合材料是目前石油钻采工程领域用特种工程材料［5-7］，该材料的溶解速度与其使用温度、结构特点有关。为使可溶桥塞在应用时能够实现可溶的可控性，可以在其材料表面涂膜，在溶解时间上达到可控的目的。

1 结构设计

1.1 结构设计及工作原理

根据目前页岩气开发现场施工需求，自主研制了可溶桥塞及贝克20#液压坐封工具，结构如图1、图2所示。

图1可溶桥塞结构示意图Fig.1 Schematic structure of dissolvable bridge plug

图2液压坐封工具结构示意图Fig.2 Schematic structure of hydraulic setting tool

可溶桥塞与坐封工具通过坐封筒连接，其中心管通过剪钉连接在坐封筒上，将可溶桥塞下放井内设计位置后，向坐封工具内打压，产生向下的推力推动坐封外筒，坐封外筒向下推动隔环，剪断可溶桥塞的启动销钉一向下推动卡瓦、卡瓦座，挤压胶筒，此时上下两个卡瓦分别涨开锚定在套管壁上，胶筒被挤压完成坐封，当坐封力继续上升剪断可溶桥塞的剪钉时，完成可溶桥塞的丢手。上提坐封工具，完成射孔作业后，从井口投球至可溶桥塞处，可溶球与桥塞中心管形成密封，开始进行压裂施工。压裂施工结束后，可溶桥塞在压裂返排液中6~18 d 完全溶解，实现井筒全通径。

1.2 技术参数

可溶桥塞工具总长500 mm，最大外径104 mm，内通径40 mm，坐封丢手压力132 kN，工作压差70 MPa，耐温120℃，适用于内径114.3 mm 的套管。坐封工具总长1 964 mm，最大外径98.6 mm。

2 设计计算

2.1 卡瓦计算分析

对可溶桥塞关键结构件卡瓦进行有限元分析计算，采用solidworks 2016 simulation 模块，分析卡瓦的受力以及位移情况。

2.1.1 建立模型模型采用6 瓣卡瓦结构型式，选取6 瓣卡瓦中对称的2 瓣进行分析，建模如图3所示，其中，锥体包含一部分中心管，卡瓦包含卡瓦粒。

图3卡瓦模型Fig.3 Slip model

2.1.2 材料属性卡瓦和引鞋的材料均为MMG350.05，卡瓦粒采用硬质合金粒，锥体材质为合金钢。这3种材料的属性如表1所示。

2.1.3 连接(1)各部件间采用全局接触(无穿透)连接方式；

表1卡瓦和引鞋材料取值Table 1 Material value of slip and guiding shoe

(2)锥体与卡瓦配合面采用锥体锥面与卡瓦锥面最上2点无穿透相触面组的连接方式。

2.1.4 夹具选取硬质合金粒嵌入套管内部分设定为固定夹具，如图4所示。

图4合金粒与套管接触模型Fig.4 Alloy particle-casing contact model

2.1.5 加载载荷及网格划分锥体上的载荷以总载荷1 050 kN 设计，本次校核采用6瓣卡瓦中的2瓣，因此施加荷载为350 kN。如引鞋上不施加载荷，计算过程中计算软件会认为夹具不够，因此引鞋上施加1 N荷载，与锥体上载荷方向相反。

施加载荷后对模型进行网格划分，网格模型如图5所示。

图5卡瓦网格划分Fig.5 Slip grid division

2.1.6 分析结果本次分析主要关注点为卡瓦受力及位移情况，其中y方向位移、y方向应变、z方向应变卡瓦值最大，因此选取这3种结果进行分析对比。

将卡瓦瓣数、连接方式等作为定量，卡瓦与锥体接触面角度作为变量，对比卡瓦与接触面角度不同导致的结果差异，见表2。

表 2结果对比分析Table 2 Comparative analysis on the results

得出结论：锥面角度为15°的卡瓦与锥体配合方案优于锥面角度为18°的卡瓦与锥体配合方案。

2.2 胶筒计算

可溶桥塞胶筒主要用于在桥塞坐封时的封隔，胶筒在承载变形时，要求应力分布均匀，尽量避免和减少胶筒上的应力集中现象。另外，井下胶筒如果缺乏足够的稳定性，就会在其表面产生许多纵向波纹和褶皱，从而造成胶筒损坏或功能丧失，而胶筒的稳定性取决于胶筒的长度和胶筒与套管的间隙。

2.2.1 外径胶筒的接触应力随外径的增大而增大，胶筒外径增大可以有效提高耐压差性能。在外径不能增大的情况下，可以通过增加“防突”等手段增加胶筒外径。胶筒与套管的合理间隙为2~6 mm，设计胶筒外径与卡瓦外径一致(式1)，避免下入过程中被刮坏。取Dj=112 mm，套管外径为121 mm，胶筒与套管的间隙为(121−112)/2=4.5 mm。

式中，Dj为胶筒的外径，mm；Dk为卡瓦的最大外径，mm；Dp为桥塞的最大外径，mm。

2.2.2 长度胶筒长度决定了桥塞坐封后与套管的接触长度，对胶筒的密封性能起决定性作用。研究表明，如需增加桥塞有效密封接触长度，可以采用多胶筒组合形式。在坐封过程中，中胶筒先坐封，然后上、下胶筒坐封，使上、下胶筒对中胶筒起到保护作用，见图6。

胶筒的理论高度可以由式(2)计算得出

图6三胶筒结构Fig.6 Three-seal structure

式中，Δp为桥塞承受的压差，设计要求Δp=35 MPa；rt为套管内半径，mm；Rj为套管外半径，mm；[τ]为胶筒的许用剪切应力，取10 MPa；f为胶筒与中心管、套管壁的摩擦因数，f取0.3；μ为胶筒的泊松比，取0.47；F0为桥塞胶筒的初封力，即胶筒刚好与套管壁接触的轴向力，kN；A为中心管与套管壁间的环空面积，mm2；σz为自由变形阶段胶筒的轴向应力，MPa；E为胶筒的弹性模量，取9.14 MPa。

将式(4)代入式(3)中，得出胶筒的初封力F0=41 kN，再将此结果代入式(2)得出胶筒的高度H=132 mm，这是单胶筒的理论长度，数值不合理，因此，有必要设计成三胶筒的结构形式，可以设计边胶筒的高度为40 mm，边胶筒与中胶筒以倾角为30°的锥面结合，总长度为140 mm。

2.2.3 材料力学性能

可溶桥塞胶筒采用全可溶橡胶材质，其耐温150℃，承压70 MPa。