耐超高温全金属桥塞研制与室内试验测试

针对目前可溶桥塞承压强度低、降解速率慢、无法适用于超高温环境的问题，创新性提出适用于超高温环境的全金属桥塞设计方案，同时开展可溶镁基合金的室温、高温下力学性能试验及高温溶解性能试验，并结合有限元分析结果完成桥塞关键部件材料优选，最终试制耐超高温全金属桥塞实物样机并开展室内试验测试，从室温承压性能、高温承压性能和溶解性能3个方面验证实际应用效果。研究结果表明：随着温度升高，相对于高伸长率可溶镁基合金，高强度可溶镁基合金抗拉强度和屈服强度下降幅度较小，伸长率变化幅度较大；在超高温环境中，可溶解镁基合金溶解速率呈现慢-快-慢现象，在溶解后48～72 h内溶解速率最快；研制的耐超高温全金属桥塞在205℃、质量分数2%的KCl水溶液中最高可承受压差70 MPa,并保持10 h有效密封；在模拟工况下的密闭容器中8 d可完全溶解，满足设计要求并具备入井条件。该研究可为开发适用于超高温环境的全金属桥塞提供技术支撑。     

高强度可溶桥塞结构设计与应用

在页岩气开发时分段压裂需采用复合桥塞进行封堵,后期还要使用连续油管钻磨,存在着施工周期长、成本高、风险大等问题。为了减小页岩气的开发成本和提高施工效果,研制了可溶桥塞,采用了高强度可降解材料,可实现可靠坐封并且能够完全有效溶解。在室内,对可溶桥塞进行了坐封丢手试验、承压试验以及溶解试验,试验表明可溶桥塞各项指标可满足现场施工要求。截至2019年12月底,现场累计应用可溶桥塞28层段,现场应用表明,可溶桥塞性能稳定,坐封安全可靠,压后溶解完全,未出现堵塞放喷采气通道的现象。     

页岩气水平井分段压裂作业中全可溶桥塞的应用

针对可溶桥塞在现场应用中遇到的问题,对桥塞溶解缓慢、球入座迹象不明显、返排物中产生结晶体、复合桥塞与可溶桥塞混合使用以及桥塞坐封未丢手等情况进行了原因分析,并提出了相应的解决方案。对全可溶桥塞返排步骤和连续油管扫塞工艺进行了介绍,为指导现场作业提供了借鉴。     

全金属可溶球座密封环结构设计与性能分析

为解决桥塞分段压裂工艺开采页岩气中全金属可溶桥塞球座密封环断裂造成密封失效,压裂效果差等问题,设计整体式和组合式结构的密封环,确定结构参数。利用有限元方法开展两种密封环性能对比,进行室内实验与现场测试。研究结果表明,整体式密封环与卡瓦接触位置存在应力集中,与整体式密封环相比,在相同坐封力下,组合式密封环可顺利坐封,且应力分布均匀,表明组合式结构更加优越。常温和高温下打压51 MPa,稳压后,常温下压力回落至47.4 MPa,高温下井筒压力基本不变,高温下打压升至60、70 MPa过程中压力下降,表明存在二次坐封,卸压后无液体渗出。组合式密封环被应用于页岩气水平井,当排量不变时,套压从51 MPa上涨至60 MPa,继续保持排量压力未回落,证明地层压开。以上结果表明组合式全金属可溶球座密封环密封严格,承压性能良好,可为全金属可溶桥塞密封环的设计及应用提供理论指导。     

可降解桥塞研制及其承压性能试验

针对水平井分段压裂施工后桥塞存在钻磨卡钻或打捞失败等问题,研制了一种无干预化作业的新型可降解桥塞。介绍了适用于φ118~φ124 mm套管水平井分段压裂用可降解桥塞的粉体材料、结构、工作原理以及主要技术参数,并对可降解桥塞试验样机进行高温环境下室内承压性能试验。试验中,新型可降解桥塞在120和150℃高温环境下均能满足50 MPa承压密封性能要求。试验结果为该桥塞投入现场应用提供了技术依据。     

DBP-140型页岩气井全封可溶桥塞研制

目前,可溶解桥塞已替代易钻复合桥塞,并广泛应用于非常规油气藏的分段压裂完井作业中。但是,现有的可溶桥塞只能封隔桥塞上部压力,不能封闭井下高压,因此在压裂结束后的更换试气井口环节,仍需下入常规易钻桥塞封闭井下高压。为解决这一问题,开发了一种页岩气井用全封可溶桥塞,更换井口装置作业完成后,井口憋压即可击穿桥塞,建立产气通道。阐述了该工具的结构、工作原理和工艺流程。地面试验结果表明,该桥塞的结构设计合理,密封承压和溶解性能满足技术要求。研制的全封可溶桥塞在NC204-1HF井应用,不需要连续油管钻塞作业,节省了施工周期和成本。     

上翘井中可溶桥塞泵送流量和驱动力仿真分析

泵送可溶桥塞工艺是目前页岩气、页岩油大规模体积压裂改造的关键技术。基于涪陵地区页岩气示范区块的井况参数,应用Fluent软件分析可溶桥塞在1～5 m³/min流量下的驱动力。流量越大,产生的驱动力越大。分析了上翘井中流量为0.25～1.25 m³/min时可溶桥塞中卡瓦的受力,并考虑泵送管柱的自重力、井斜角度以及电缆张力的因素,分析桥塞泵送坐封过程的安全性。现场应用中,上翘井的最大井斜108.6°,在0.5 m³/min的流量下,可溶桥塞成功坐封并丢手,验证了模拟分析的准确性。该研究结果为可溶桥塞的设计,以及在水平井、上翘井中的泵送提供理论依据。     

压裂用可溶桥塞关键技术分析

对比分析了国内外可溶桥塞的性能指标及优缺点。详细阐述了国产化可溶桥塞的关键技术,包含可溶卡瓦表面处理、卡瓦破碎力设计、可溶胶筒技术以及下接头设计。按照页岩气压裂施工情况,首次提出了可溶桥塞耐压试验时的“耐压时效”概念。耐压时效指桥塞入井至压裂的时间间隔。按照现有页岩气施工模式,认为耐压时效24 h可兼顾现场施工和压后溶解的需要。     

可溶桥塞技术在页岩气井套管测漏中的应用

在页岩气井油层套管化学剂堵漏挤注施工之前,为了获取漏失数据并实现暂堵转向,需对漏点以下井筒进行有效暂堵隔离。为此,研制了可溶桥塞及配套送入工具,并开展了室内性能测试和现场试验。性能测试及现场试验结果表明:桥塞在承压差70 MPa条件下密封时长大于24 h,桥塞在93℃、氯根质量浓度10 g/L的返排液环境中溶解时长小于15 d,桥塞丢手方式设计合理,承压密封性能稳定,溶解性能良好,满足化学堵漏漏速测试及暂堵转向的施工要求。所得结果可为页岩气井套管堵漏措施的制定及后续化学堵漏施工的顺利开展提供技术支撑。     

致密油水平井全可溶桥塞体积压裂技术评价与应用

致密油水平井目前主要使用复合桥塞进行分段体积压裂，压裂后需钻除桥塞，钻塞作业井控风险大、周期长、费用高，在超长水平井中钻塞的难度更大。全可溶桥塞压裂后可自行溶解，不需钻塞，目前国内尚无成熟的技术。为解决该问题，引进了国外全可溶桥塞，对其溶解性和承压性能进行了室内实验评价，自主研制了配套的低成本可溶性堵球，通过大型物模实验形成了全可溶桥塞泵送施工关键参数图版，并在国内致密油水平井开展了规模性现场试验。结果表明：全可溶桥塞泵送投放顺利，承压为70MPa，坐封、封隔性能可靠，完全满足水平井体积压裂需求；压裂后15d内桥塞自行溶解，不需要钻塞，可实现井筒全通径；研制的可溶堵球2d内完全溶解，可实现快速投产；单井试油周期缩短30%，作业成本降低20%，提效降本效果明显。该研究成果为全可溶桥塞实现国产化提供了宝贵的技术借鉴。     

基于可溶桥塞关键零件动作顺序的阶段坐封力研究

多级分段压裂是目前开发非常规油气井的主要手段,常用复合桥塞进行层间封隔,压裂后需要钻磨桥塞,工艺风险大、成本高。可溶桥塞在压裂后能按设计溶解,无需钻磨即可恢复井眼畅通。可溶桥塞坐封时各零件动作的顺序决定了其坐封的可靠性,需对其进行分析以提高可溶桥塞工作性能。文章针对现场应用中存在的关键零件不能可靠地按照规定顺序动作引起可溶桥塞坐封失败的问题提出改进建议,基于某110型可溶桥塞结构、坐封原理及坐封时零件动作顺序,运用力学分析及运算,得到该结构可溶桥塞关键零件动作条件的理论分析方法及阶段坐封力计算公式,得出该110型可溶桥塞改进前、改进后的阶段坐封力范围并进行试验验证,结果表明改进后的该型桥塞可成功坐封并满足技术要求,为设计优化同类型可溶桥塞结构提供参考。     

高性能系列可溶桥塞的研制与应用

为提升可溶桥塞的工况适用性和稳定性,研发了多水解高分子基团可溶橡胶与高强度可溶金属材料及配方体系。通过开展不同温度下材料力学性能与溶解性能测试评价,验证了材料性能。根据可溶桥塞的结构原理及特点,研制了高性能系列可溶桥塞,进行了综合性能试验和现场试验。试验结果表明：研制桥塞能够在30～150℃温度范围内确保70 MPa有效承压密封时间达24 h以上,且溶解时间可调可控。各大油气田区块现场试验及推广应用结果表明,其坐封、承压、溶解效果等综合性能稳定可靠,能够适用于复杂工况,能有效保障体积压裂施工作业。所得结论可为非常规油气资源的高效开发及水平井分段压裂的提质降本提供有力的技术支撑。     

可溶桥塞与分簇射孔联作技术在页岩气水平井的应用

桥塞是页岩气水平井分段压裂开发中一项重要的暂封工具。文章介绍了分簇射孔与桥塞联作基本原理及国外三种先进的可溶桥塞,重点阐述了可溶桥塞具有的自动可溶解、无需连续油管钻磨桥塞且保持井筒全通径、经济时效性高等技术特点和优势。基于X井的基本井况,进行了可溶桥塞与坐封工具优选,管串设计与泵送排量模拟等设计工作,在该井进行了25个可溶桥塞的应用,均一次坐封成功并顺利完成坐封段的压裂改造。通过现场作业情况表明了可溶桥塞坐封可靠,暂堵效果良好,满足深井长水平段分段压裂的要求,在页岩气水平井开发中具有重要的推广应用价值。     

低残渣桥塞火药的研究和应用

以电缆桥塞坐封工具对低残渣慢燃速桥塞火药的性能要求为基础,以提出的产品指标为设计依据,进行了低残渣慢燃速桥塞火药的研究。结果表明,低残渣慢燃速桥塞火药燃烧稳定,耐热性能、安全性能满足使用要求,火药燃烧产物不粘附在工具内壁。用该药为化学动力源构建桥塞坐封工具装药结构,在常温、高温条件下能可靠完成桥塞坐封操作,用于油气井桥塞坐封作业,获得成功。     

可溶桥塞试验研究及现场应用

为了解决水平井分段压裂后连续管钻磨和碎屑打捞等问题,研制了一种以镁合金材料为主的全可溶桥塞。通过对桥塞施工工艺分析,引入新型无干预化作业工具——趾端滑套。根据可溶桥塞的结构和工作原理,对关键零部件进行了溶解测试,对可溶桥塞总成进行了室内试验与现场应用。现场应用结果表明:可溶桥塞可以在温度120℃下承压差70 MPa,而且在120℃、氯离子质量分数1%溶液中10 d可以完全溶解,验证了可溶桥塞的可行性。所得结论可为可溶桥塞设计提供技术参数,结合新工艺完全消除连续管作业,并帮助用户降低使用风险和作业成本。     

可溶性泵送环在页岩气储层改造中的应用

页岩气套变井使用小尺寸桥塞或73 mm射孔枪串时泵送推力不够,无法泵送到位。通过计算表明,ø88 mm桥塞能够满足最低的泵送要求。研制了一种基于可溶材料的(柔性)泵送环,安装在电缆管串的顶部,以提高管串的泵送推力。在此基础上,成功开展了ø85 mm桥塞带ø88 mm柔性可溶性泵送环在四川威远页岩气应用,以及ø99 mm桥塞带ø103、105和107 mm刚性可溶泵送环在四川威荣页岩气的应用,共计274次现场试验,试验表明,可溶泵送环可以提高管串的泵送力和通过性,降低施工风险。     

可溶桥塞镶齿卡瓦研制及实验评价

可溶桥塞的锚定卡瓦有异于常见的铸铁卡瓦和复合材料卡瓦,除了需要提供可靠的套管锚定力和胶筒锁紧力之外,还必须具备良好的溶解性能及返排能力。为了满足页岩气水平井压裂用可溶桥塞现场施 工各项指标要求,设计了可溶材料镶齿卡瓦结构,并对其锚定性能和溶解性能进行了实验测试,测试结果表明,可溶材料镶齿卡瓦结构设计及材料选型合理,在套管内壁锚定承载性能可靠,溶解性能良好,能够满足现场压裂施工要求。     

全复合材料易钻桥塞研制与应用

为满足桥塞耐高压高温的井下环境、易钻性以及钻屑完全返出井口的要求,研制开发了全复合材料高性能桥塞。该桥塞使用高强度低密度的复合树脂材料,设计了独特的桥塞密封机构和防突装置,并进行了系统的室内材料性能实验和桥塞整体性能测试,可耐压差为70MPa,耐温为120℃。通过多次现场应用,桥塞的实用性能得到了验证,能够满足现场施工要求。同时,现场应用情况表明,桥塞有很好的易钻性能,能够大幅提高现场施工效率,节省施工费用。该桥塞的研制与应用对非常规油气藏的高效开发具有重要意义。     

快钻电缆桥塞的研制与应用

河南油田非常规页岩油气资源储量丰富,对水平井多级分段压裂技术需求迫切。为此,研制了快钻电缆桥塞。该桥塞主要由丢手机构、密封机构、锚定机构和防转机构组成,桥塞通过金属卡瓦牙实现可靠锚定,通过采用复合材料制作的卡瓦主体,减少了金属用量,提高了可钻性。对桥塞的复合材料进行了力学性能试验、易钻性试验和化学稳定性试验,同时对研制的桥塞进行了现场试验。试验结果表明:该桥塞在水平井能够可靠下入,桥塞坐封、丢手、锚定和密封均可靠,能够被快速钻除,满足非常规油气资源的开发要求。快钻电缆桥塞的研制成功促进了国内分段压裂技术在非常规油气资源开发中的应用。     

南堡潜山裂缝性储层完井封层技术

南堡油田深层潜山裂缝发育,压力窗口窄,完井过程中易出现又漏又涌、气液置换严重等现象。为确保完井井控安全,减少储层污染,在进行准177.8 mm尾管回接前,需采用封层技术将上部井筒与潜山油气层进行有效隔离。南堡潜山常用的封层工艺是使用机械式桥塞密封井筒,应用中多次出现桥塞坐封和打捞失败的现象。为提高封层效果,减少施工风险,研发出一种新型化学材料代替机械桥塞,该材料在井筒高温下能迅速团聚成塞,承受较高的温度和压力,并且易降解。现场试验表明,该化学桥塞抗温性能好,能长时间有效密封井筒,实现碳酸盐岩储层保护,与常规桥塞封层技术相比,节约了钻塞或打捞回收桥塞的时间,大大降低了完井成本。