高温全金属可溶桥塞的研发与应用

杨敏 刘涛 何宴 陈潇晗 邹文智

捷贝通石油技术集团股份有限公司 四川 成都 610000

近年来，全金属可溶桥塞在国内页岩气等非常规油气开发中得到了很好的应用，该桥塞本体全部由可溶解镁铝合金材料组成，无胶筒设计，体积小、通径大，结构简单，解决了胶筒溶解缓慢、溶解不充分等问题[1-2]，显著提高了桥塞的溶解速率，缩短了焖井周期，加快了油气井建产，对桥塞的发展和非常规油气的开采具有重要意义。全金属可溶桥塞已逐渐取代胶筒式可溶桥塞，成为压裂改造主要的分段工具。

虽然全金属可溶桥塞已进入了应用阶段，但专门的研究还较少。目前可溶桥塞的研究主要集中在桥塞的性能评价[3-4]、工艺中的技术问题[5-6]和现场应用情况[7-8]等方面。在少有的全金属可溶桥塞研究中，也主要研究全金属可溶桥塞的结构特点和中低温井况（＜120℃）应用[9]，在高温状态下的（≥120℃）的研究较为缺失。但随着非常规油气井完钻越来越深，井温越来越高，全金属桥塞在高温井况中的应用受到了挑战。高温条件下镁铝合金溶解快，材料强度和韧性的统一性较差，这导致高温全金属桥塞的性能极不稳定。

根据全金属可溶桥塞在高温条件下的特点，在现有的可溶镁铝合金中筛选合适材料，优化结构设计，加工出满足要求的可溶桥塞，并通过室内测试和现场应用评价桥塞的性能，达到了设计要求。高温全金属可溶桥塞的研发成功，以期为可溶桥塞的发展应用和非常规油气的开发提供指导与帮助。

1 可溶材料的选型

高温全金属可溶桥塞对镁铝合金材料的溶解速率、强度和延展性要求较高。镁铝合金材料对温度的适应性不同，可分为低中高三类（适应温度≥120℃的材料称为高温材料）。中低温材料在高温环境下溶解速率快，强度降低，流变性增强，不适合制造高温桥塞，因此需要在高温材料中进行筛选。材料选择时也需要考虑现场施工要求，一般要求在井内浸泡24h仍须满足压裂施工要求。桥塞各部件对材料的要求也不一样，卡瓦要求满足高强度性能，以保证可靠的锚定性，金属密封环要求高延展性材料，以密封套管内壁。其他组件主要起连接和引导作用，可根据井况和溶解要求，酌情调整材料以满足需求。因此需要对不同材料进行测试和研究，以匹配桥塞不同部件的要求。本文对7种高温材料进行了溶解和拉伸试验，以论证材料的性能，测试数据如表1。

表1 可溶镁铝合金材料的测试结果

备注：溶解试验环境为150℃、1%KCl溶液。

根据试验结果，1号和2号材料溶解速率较快，暂不考虑高温环境使用， 3、4、5号材料强度大，可用于加工卡瓦，6号材料延展性好，可加工金属密封环，3号、4号和7号材料溶解速率相对较快，可加工其他辅助组件。本文将在上述材料的基础上，优化桥塞结构，设计出满足要求的高温全金属可溶桥塞。

2 桥塞结构设计

2.1 整体结构设计

高温全金属可溶桥塞仍保持主体结构简单的特点，桥塞由锥体、金属密封环、隔环、卡瓦、引鞋等组成，但在具体结构上做优化调整，使现有材料的性能最大化，以满足高温井筒环境，桥塞具体结构见图1。

图1 高温全金属可溶桥塞结构

图2 桥塞高温承压曲线图

锥体是受力部件，外部压力通过坐封工具将力传递到锥体，推动锥体下移挤压金属密封环和卡瓦。金属密封环是全金属桥塞的密封组件，受压扩张，贴合套管内壁，形成密封；卡瓦是锚定机构，受力撑开，咬合套管，支撑桥塞；隔环是密封环和卡瓦之间的缓冲机构，辅助密封；引鞋在桥塞最下端，做有锥面，引导管串下放入井，并设置剪切销钉固定桥塞。当推力达到设定值时，剪切销钉被剪断，桥塞与送入管串分离，完成丢手。

桥塞各组成部件的作用不同，对溶解性能的要求也不同，可以根据井况优化不同材料组合，以提高桥塞整体的溶解性。其中锥体和引鞋是桥塞中质量相对较大的辅助部件，对桥塞整体的溶解性能有较大的影响，需根据井况要求，使用溶解速率较快的材料，研究使用的是7号材料。

2.2 金属密封环

金属密封环是全金属可溶桥塞的密封组件，是用高延展性的材料加工而成，它代替可溶胶筒密封套管内壁。可溶胶筒溶解速率慢，充分溶解时间可超过10天，而金属结构一般5天之内会全部溶解。金属密封环在坐封过程中会径向扩张至套管内壁，在扩张过程中极容易断裂，材料需要满足高延展性；桥塞承压时密封环直接受力，若强度不足，会发生轴向错断，材料强度须满足要求；可溶金属的溶解速率大大快于可溶胶筒，必须控制速率以保证桥塞满足24h的工作时效。

选择的是6号材料加工金属密封环，6号材料延伸性较好，但扩张的过程中仍可能发生断裂，需要进行一些辅助设计以保证性能稳定。金属密封环中间设计凹槽，使形变时有空隙释放形变量，增强延展性，减小坐封力；凹槽内可填装高温可溶橡胶圈，以辅助密封。在密封环和卡瓦之间增加隔环结构，一是增加密封组件强度，二是形成缓冲区，避免密封环与卡瓦直接接触，保证受力均匀，增强稳定性。

2.3 可溶卡瓦

卡瓦是桥塞坐封和持久锚定的关键部件，桥塞受压时卡瓦承受上部压力，因此需要高强度、低溶解率的材料，以达到支撑桥塞的作用。全金属桥塞卡瓦和金属密封环相连，卡瓦撑开后的状态对金属密封环影响很大，若撑开后各卡瓦块不在同一平面，存在上下错位现象，金属密封环也会受其影响出现轴向错位，甚至扭曲变形。金属密封环与胶筒不同，轻微变形就会造成与套管内壁密封不严，产生渗漏，因此对卡瓦撑开形态的要求很高。

高温卡瓦采用整体式结构，用线切割技术加工成彼此相连的部分，并在线切割底端设置应力孔。这种结构撑开时各卡瓦块仍彼此相连为一体，会减小卡瓦块间的错位，而应力孔和线切割缝会释放应力，避免卡瓦轴向断裂。本文选择的是表1中的4号材料作为卡瓦的加工材料，3号和5号材料虽然强度更大，但高温下脆性也较大，卡瓦在坐封时会在线切割应力孔处发生断裂，增加卡瓦错位风险，影响桥塞密封效果。

3 高桥塞性能测试

3.1 耐温承压测试

参考《石油天然气钻采设备 可溶桥塞》（SY/T 7462-2019）标准的检验方法[10]，将桥塞坐封于5 1/2″套管内，套管壁厚12.7mm，钢级140V；坐封完成后将工装升温至150℃，打压至70MPa，稳压24h，验证桥塞在高温高压条件下的承压能力，24h内压力无突降为合格。桥塞承压结果曲线见图3。

由上图曲线可知，桥塞在150℃承压70MPa，稳压24h，压降2.45MPa，未出现压力陡降，满足耐温耐压要求。

3.2 充分溶解测试

将承压后的桥塞-套管短节工装浸泡在恒温水浴箱内，液体介质为1%KCl溶液，设置温度99℃，每24h检查桥塞的溶解状态，称取剩余重量，直至桥塞充分溶解。表2为桥塞溶解测试情况记录。

表2 桥塞溶解试验记录表

桥塞初始重量为2 218g，浸泡96h后，镁铝合金部分完全溶解，不溶物为卡瓦齿，不溶物重量为85g，不溶物质量占可溶桥塞总质量的比例为3.8%，满足SY/T 7462-2019标准不溶物重量≤5%的要求。

桥塞通过室内评价测试，表明高温全金属可溶桥塞达到现场应用要求，可进行现场使用。

4 井上应用情况

高温全金属可溶桥塞于2022年7月在川渝页岩气区块足206井区某平台进行了应用，该平台为两口井拉链式压裂作业，两口井完钻井深均超过6900m，垂深超过4300m，地层温度超过135℃，共分78段。两口井采用电缆泵送桥塞分簇射孔压裂工艺，压裂液为清水和返排液的混合液体，矿化度5000～10000×10-6，施工压力105～115MPa，压裂排量18～20m3/min，单段液量2500～3000m3。桥塞入井至压裂最长间隔时间26h，压裂期间无异常压力陡降现象。本平台共下入桥塞76支，满足了压裂施工要求。两口井压后即进行通井钻塞作业，超过80%的桥塞无遇阻显示，直接通过；剩余桥塞均轻微钻磨通过，最大钻磨时间12min，平均钻磨时间4.1min。

截止2023年6月，该高温全金属可溶桥塞15井次，入井桥塞超过500只，桥塞正常施工率100%，高温全金属可溶桥塞的大量整井应用，充分说明该桥塞性能稳定可靠，完全满足高温井况的应用要求。

5 结束语

（1）本文对可溶镁铝合金材料进行了高温溶解试验和力学拉伸试验，优选出了适用高温环境特点的材料。

（2）本文针对高温镁铝合金材料的性能特征，对全金属可溶桥塞的结构进行了优化，制造出了满足设计要求的高温全金属可溶桥塞。

（3）本文根据行业标准要求，模拟现场井筒情况，对高温全金属可溶桥塞进行了室内测试和评价，桥塞的高温承压和溶解性能均满足设计要求。

（4）高温全金属可溶桥塞在川渝页岩气区块进行了大量应用，正常施工率100%，桥塞承压稳定可靠，压后溶解性能优良，满足现场施工的要求。