本发明属于采油气工程技术领域，尤其涉及一种可溶解桥塞及其材料制备方法。
背景技术：
目前在石油工业中，井下工具多采用强度高、加工性良好的合金钢制成，对其中某些工具进行使用后或失效时的处理成为严重影响作业效率及油田开发效益的一大难题。
有研究表明，如果工具在使用后或失效时能根据需要适时溶解，可有效解决这一问题。可溶解金属(合金)材料具有强度高、可溶解的特性。目前，世界各国对可溶解金属材料进行了研发出现了很多专利：US 2007/0181224公布了研发的可溶解金属材料组合物，该组合物主要包括占比例较大的一种或多种活性金属，以及少量的一种或多种合金化产物，其所包含的活性金属元素主要包括：铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、锌(Zn)及铋(Bi)，由它们所制备的可溶解材料能够完全溶解；US 2008/0105438公开了可用于制造油田造斜器和致偏器的高强度及可控性较高的可溶解材料；US 2008/0149345公开了一种能够智能溶解的可溶解材料，该材料在井下溶解后会激活这些构件，其组成主要为钙、镁或铝的合金，或者由这些材料组成的复合材料。
以上专利中所采用的材料普遍较多的使用了昂贵金属铟等，由此制造的桥塞存在生产成本高的缺点，同时因其现有使用领域的要求，材料强度指标较低，不能满足油田开发需求。
另外，在套管(井筒)注入压裂后的气井中，常规下入油管的方法有两种：方法一，套管注入压裂后先用压井液压井、打桥塞、试压，然后在不带压条件下，下入所需规格的生产油管，这种方法虽然实现不压井作业，但是压井所使用的压井液对储层伤害大；方法二，如图1所示，在套管1注入压裂后，直接在带压条件下，下入所需规格的生产油管2，但是这种方法作业成本非常高。
技术实现要素：
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可溶解桥塞及其材料制备方法，以至少解决以上技术问题之一。
本发明的技术方案如下：
一种可溶解桥塞，包括：主体、套设于所述主体上的胶筒；所述主体的材料包括85-90％的Mg-Al二元合金，6-9％的Zn，4-8％的Sn。
作为一种优选的实施方式，所述主体上的Mg的质量分数为5-7％。
作为一种优选的实施方式，所述主体包括中心管、推环、上卡瓦、下卡瓦、引鞋；所述推环、上卡瓦、下卡瓦套设于所述中心管外，所述胶筒套设于所述中心管外且位于所述上卡瓦与下卡瓦之间；所述推环位于所述上卡瓦上方；所述引鞋连接所述中心管的下端。
一种如上任一所述可溶解桥塞主体材料的制备方法，包括：
将Mg-Al二元合金在预定温度下熔化形成铝合金溶液；
向所述铝合金溶液中加入Zn、Sn并搅拌均匀。
作为一种优选的实施方式，对所述铝合金溶液去除浮渣后再向所述铝合金溶液中加入Zn、Sn。
作为一种优选的实施方式，在加入Zn、Sn并搅拌均匀后加入预定量的硝酸盐精炼剂进行除渣。
作为一种优选的实施方式，所述硝酸盐精炼剂为所述Mg-Al二元合金总质量0.3～0.5％。
有益效果：
本发明中的可溶解桥塞通过将主体的材料设置为85-90％的Mg-Al二元合金，6-9％的Zn，4-8％的Sn，可以具有较佳的材料强度，满足封堵气井的强度要求，同时，该主体材料中并不含有铟等昂贵金属材料，从而制造成本较低。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术常规下油管的气井示意图；
图2是本发明实施方式所提供可溶解桥塞主体材料的制备方法流程示意图；
图3是本发明实施方式所提供的下油管方法流程示意图；
图4是采用图3方法的气井示意图。
图中：1、井筒(套管)；2、油管；3、可溶解桥塞。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的实施方式中提供一种可溶解桥塞，该可溶解桥塞包括：主体、套设于所述主体上的胶筒；所述主体的材料包括85-90％的Mg-Al二元合金，6-9％的Zn，4-8％的Sn。
该可溶解桥塞在下入井筒内指定位置后进行溶解时，通过下入胶筒溶解液将胶筒的主体部分溶解，同时，坐封状态的胶筒由于主体被溶解，自然伸长形成解封，不再对井筒形成封堵。
具体的，在使用该可溶解桥塞时，首先在井筒内下入与井筒内径相匹配的可溶解桥塞，使可溶解桥塞在井筒(套管)内预定位置坐封封堵；再将井筒泄压后注入水将井筒内的气体置换出来，然后下入油管至所述可溶解桥塞位置，通过油管注入桥塞溶解液将所述可溶解桥塞溶解。
本实施方式中，Mg-Al二元合金为基体合金，在基体合金基础上再添加Zn和Sn，Mg-Al二元合金质量百分数为80-90％，Zn的质量百分数为5-8％，Sn的质量百分数为2-5％，其中，Mg的质量百分数为5-7％，形成Mg-Al-Zn-Sn合金，使得可溶解桥塞的屈服强度超过了300MPa，耐温级别达到170℃以上，耐压70MPa。该材质的可溶解桥塞仅能与配套桥塞溶解液(下述)反应，在作业过程中接触到水或其他流体不会提前溶解。
如此可以看出，本实施方式中的可溶解桥塞通过将主体的材料设置为85-90％的Mg-Al二元合金，6-9％的Zn，4-8％的Sn，可以具有较佳的材料强度，满足封堵气井的强度要求，同时，该主体材料中并不含有铟等昂贵金属材料，从而制造成本较低。
在一个实施方式中，该主体材料由85-90％的Mg-Al二元合金，6-9％的Zn，4-8％的Sn构成。如此，该可溶解桥塞的主体材料仅有镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)四种元素材料构成，所需材料的构成元素简单易获取，同时，元素种类少制备过程中添加程度少，降低制备工艺难度。
相较于现有桥塞可溶解材料构成的复杂(一般六种以上)，且均普遍使用稀土元素以改善材质，获取期望强度的桥塞材料。但是这同样造成了材料难以获取，造价昂贵，制备工艺复杂的问题。为解决该问题，发明人根据在该领域多年的研究以及不断的试验，发现在不采用稀土元素，采用镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)四种元素所制备的材料不仅材料强度满足桥塞使用强度要求，而且元素构成简单，易获取，十分便于制造和应用，具有非常强的实际应用价值，同时，该种材质的可溶解桥塞主体在桥塞溶解液的溶解作用下可以非常快速的溶解，加快解封速率。在本实施方式中，为取得最佳的材质，所述主体上的Mg的质量分数为5-7％。
在本实施方式中，所述主体可以包括中心管、推环、上卡瓦、下卡瓦、引鞋；所述推环、上卡瓦、下卡瓦套设于所述中心管外，所述胶筒套设于所述中心管外且位于所述上卡瓦与下卡瓦之间；所述推环位于所述上卡瓦上方；所述引鞋连接所述中心管的下端。
具体的，中心管的上端为连接端，用于连接坐封机构。胶筒套设于中心管外，在挤压状态下用于径向定位该可溶解桥塞。主体上还可以设有位于胶筒上下两侧的锥体。该锥体同样套设于中心管外，锥体能够沿中心管的轴向移动，对胶筒施加相对的挤压作用力，将胶筒挤压坐封。
在该实施方式中，上卡瓦和下卡瓦能够轴向定位桥塞位置，同时在定位桥塞位置前驱动锥体挤压胶筒。上卡瓦和下卡瓦与胶筒之间分别设有一锥体，从而通过推动锥体挤压胶筒。推环套设于中心管外并且靠近连接端。该推环能够在接受到坐封机构的坐封力后驱动上卡瓦、下卡瓦推动锥体移动，直至上卡瓦、下卡瓦伸出锚定井筒，完成坐封。
上卡瓦和下卡瓦的周面上设置有多个用于容纳耐磨材料的开孔以增大接触面的摩擦力。耐磨材料例如可以是陶瓷材料，陶瓷材料的摩擦系数大，可以有效提高卡瓦的表面摩擦力，从而使得可溶解桥塞得到良好的轴向定位。
在本实施方式中，胶筒包括相互接触的第一胶筒和第二胶筒，第二胶筒与下锥体之间具有锥形的接触面。所述第二胶筒与下锥体之间的锥形接触面有助于增大第二胶筒的受力面积，以使下锥体能够有效阻挡胶筒组件向下锥体方向运动。
在本实施方式中，胶筒在主体被溶解后，主体的上卡瓦、下卡瓦(上锥体)所述胶筒的材质例如可以可降解的生物材料。具体的，胶筒的材质可以为：聚乙醇酸高分子30-90wt％，柔性环氧树脂5-40wt％，丁腈橡胶5-50wt％，橡胶添加剂1-25wt％。
该可溶解桥塞在使用时上方还可以设有磁定位仪。该磁定位仪可以连接可溶解桥塞的下入电缆。根据磁定位仪确定下入深度以及井斜度。井外操作人员可以通过追踪磁定位仪测量磁定位仪的行走曲线，并根据磁定位仪的行走曲线观察测出的定位短节是否正常。
在具体使用过程中，采用电缆或者管柱等输送装置将可溶解桥塞输送至井筒的预定位置。通过电缆控制火药爆破、液压坐封或者机械坐封工具产生的坐封力作用于推环，推环接收坐封力后驱动上卡瓦和下卡瓦，上卡瓦和下卡瓦接收推环的驱动力后驱动上锥体和下锥体，上锥体和下锥体接收上卡瓦和下卡瓦的驱动力后向胶筒方向运动并施加给胶筒挤压力，胶筒接收上锥体和下锥体的挤压力后收缩，胶筒收缩后直径增大以抵紧井筒的内壁从而达到了径向定位的作用。
同时，因为胶筒径向定位后无法继续挤压，从而上卡瓦和下卡瓦被推环继续推动并被锥体撑开，从而实现锚定在井筒上，实现轴向定位。如此，可溶解桥塞的径向和轴向均得到了定位，从而使得本实施方式提供的桥塞能够保证定位准确，从而保证正常工序的有效开展。另外，由于可溶解桥塞的主体(中心管、胶筒、上锥体、下锥体、上卡瓦、下卡瓦以及推环)均由可溶解材料制成，即可溶解桥塞可以被桥塞溶解液溶解，因而可溶解桥塞的主体可被溶解去除，胶筒随之解封，从而该桥塞消解作业能够省略了现有技术中的钻塞过程，也不存在钻塞过程带来的钻屑问题。
下面描述本发明具体几个实施例所提供的可溶解桥塞，以便更好地理解本发明。
实施例1：
在上述实施方式的基础上，本实施例提供了一种可控溶解桥塞，材质为Mg-Al-Zn-Sn合金，所述Mg-Al-Zn-Sn合金由以下质量百分比的原材料制备而成：Mg-Al二元合金为85％，Zn为9％，Sn为8％。具体制备过程参见实施例1。
实施例2：
在上述实施方式的基础上，本实施例提供了一种可控溶解桥塞，材质为Mg-Al-Zn-Sn合金，所述Mg-Al-Zn-Sn合金由以下质量百分比的原材料制备而成：Mg-Al二元合金为87％，Zn为7％，Sn为6％。具体制备过程参见实施例1。
实施例3：
在上述实施方式的基础上，本实施例提供了一种可控溶解桥塞，材质为Mg-Al-Zn-Sn合金，所述Mg-Al-Zn-Sn合金由以下质量百分比的原材料制备而成：Mg-Al二元合金为90％，Zn为6％，Sn为4％。具体制备过程参见实施例1。
如图2所示，本发明实施方式中还提供一种如上任一实施例所述可溶解桥塞主体材料的制备方法，包括：
S1、将Mg-Al二元合金在预定温度下熔化形成铝合金溶液；
S2、向所述铝合金溶液中加入Zn、Sn并搅拌均匀。
具体的，将预定量的Mg-Al二元合金在700～760℃进行常规熔化。为防止获得的主体材料含有杂质而影响材料性能，对所述铝合金溶液去除浮渣后再向所述铝合金溶液中加入Zn、Sn。为进一步防止获得的主体材料含有杂质而影响材料性能，在加入Zn、Sn并搅拌均匀后加入预定量的硝酸盐精炼剂进行除渣。其中，所述硝酸盐精炼剂为所述Mg-Al二元合金总质量0.3～0.5％。
在一可溶解桥塞主体材料的制备方法具体的实施例中，首先将配方量的Mg-Al二元合金在700～760℃进行常规熔化，使之熔融成为铝合金溶液。在Mg-Al二元合金完全融化后，除去溶液上的浮渣；然后，在铝合金溶液中依次加入配方量的Zn、Sn，搅拌3～5分钟，均化20～30分钟后，最后加入Mg-Al二元合金总质量0.3～0.5％的硝酸盐精炼剂，进行除渣。
为了解决压裂后常规方法下油管成本高、周期长、对储层伤害大等问题，请参阅图3、图4，本发明实施方式中还提供一种气井不压井下油管方法，包括以下步骤：
S10、向井筒1内下入桥塞3，使桥塞3在井筒1内预定位置坐封封堵；
S20、将井筒1泄压后注入水将井筒1内的气体置换出来；
S30、向井筒1内下入油管2至所述桥塞3位置。
本实施方式提供的该气井不带压下油管方法，首先在带压条件下，(采用电缆)下入桥塞3对压开气层段(也可以称为压裂射孔段)进行井筒1(套管1)封堵，并再通过井筒泄压形成不带压条件，最后在不带压条件下入对应规格的生产油管2至桥塞3位置，成功解决了套管1注入压裂后带压下入油管2高成本的问题，同时，也解决了套管1注入压裂后先用压井液压井，再不带压下入所需规格的生产油管2，所带来的压井液对储层伤害的问题，实现了既节约成本又保护储层的目的。
本实施方式中步骤S10在压裂结束后进行。在步骤S10中，桥塞3在井筒1内预定位置坐封封堵后，将井筒1封隔形成并不相连通的上下两段井筒1，上段井筒1可以经过步骤S20的泄压即可形成不带压状态。
但是，考虑到井筒1中所存留气体为可燃气体(天然气)，且浓度已经降低可能位于爆炸极限内，直接下入油管2则油管2与井筒1(套管)产生摩擦极易引起爆炸等安全事故，基于此考虑，通过步骤S20中注入水将井筒1内的气体(天然气)置换出来，如此在下入油管2过程中则无需担心油管2与井筒1摩擦，提高油管2下入的安全程度。
在步骤S10中，可以在带压条件下通过电缆将所述桥塞3下入井筒1的预定位置，所述桥塞3上方连接有与所述电缆连接的坐封机构。利用所述电缆控制所述坐封机构推动所述桥塞3坐封封堵。
其中，坐封机构可以为坐封推筒。在坐封推筒内具有可控炸药，可控炸药通过电缆传输来的信号进行爆炸并推动推筒向下移动，推筒与桥塞3上的推环进行配合，推动推环向下移动。相应的，推环推动上卡瓦向下移动挤压胶筒，将胶筒压缩膨胀坐封，再推动上卡瓦、下卡瓦伸出将井筒锚定完成坐封。
为保证桥塞3在预定位置顺利坐封，在步骤S10中，在下入所述桥塞3时通过井外向井筒1内打压推动所述桥塞3移动直至所述桥塞3至预定位置；停止井外向井筒1内打压后再利用所述电缆控制所述坐封机构推动所述桥塞3坐封封堵。其中，所述预定位置的深度位置高于压裂射孔段顶端。在具体实施中，所述预定位置的深度位置可以高于压裂射孔段顶端10m-20m(15米左右)。
考虑到电缆无法向桥塞3施加向下的推力，在该实施方式中，桥塞3的外径与井筒1的内径相匹配，从而可以在带压条件下将桥塞3定位于井筒1内，结合通过井外打压推动可以使得桥塞3下行直至预定位置，当桥塞3达到预定位置进行坐封时，为避免坐封机构在爆破推动坐封时，电缆无法承受向下的冲击拉力，此时将井外打压泄掉，桥塞3下方的地层压力(方向向上)可以与桥塞3上方的坐封机构提供的推力(放下向下)相配合，从而将桥塞3在预定位置坐封，保证坐封的成功。
在步骤S20中，将所述井筒1泄压至与大气压平衡后注入水将井筒1内的气体置换出来。在该实施方式中，可以通过井口泄压装置将井筒1内的(位于桥塞3上方的)天然气泄出至指定位置以便回收，同时，井筒1内压力被放空，从而形成不压井条件。
在本实施方式的步骤S30中，针对不同外径的套管1下入相匹配的不同外径的油管2，具体的，套管1外径为177.80mm，配套下入生产油管2的外径为88.9mm、73.0mm或60.3mm；套管1外径为139.70mm配套下入生产油管2的外径为73.0mm或60.3mm；套管1外径为114.30mm配套下入生产油管2的外径为60.3mm。
本实施方式的气井不压井下油管方法所采用的桥塞可以为可溶解桥塞，当然，也可以为可钻桥塞。在使用可钻桥塞时，可以在下入油管至所述桥塞位置后通过油管下入铣磨工具钻磨桥塞实现解封。为避免井下留下钻屑，该桥塞优选采用可溶解桥塞。为方便溶解，提升解封的成功率，所述可溶解桥塞为Mg-Al-Zn-Sn合金材质。具体的，该可溶解桥塞可以参考上述实施方式所提供的可溶解桥塞，本实施方式中不再一一赘述。
该实施方式的气井不压井下油管方法还可以包括步骤：在下入油管至所述桥塞位置后，通过油管注入桥塞溶解液将所述可溶解桥塞溶解。
在该步骤中，所述桥塞溶解液可以为酸式盐、谷氨酸-盐酸、醋酸-醋酸钠、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液的一种或几种混合形成。其中，所述酸式盐可以为碳酸氢钠溶液、碳酸氢钾溶液或亚硫酸氢钠溶液。所述酸式盐的添加量为0.05-0.4mol/L。进一步地，为控制桥塞的溶解速度，该桥塞溶解液中还可以添加缓蚀剂。另外，溶解温度可以不小于45℃。
本实施方式中，所述谷氨酸-盐酸、醋酸-醋酸钠、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液添加量分别为0.1-0.3mol/L。在一实施例中，使用0.05-0.4mol/L碳酸氢钠作为桥塞溶解液，30min内桥塞3质量损失在40％以上。在一实施例中，使用0.1-0.3mol/L谷氨酸-盐酸作为桥塞溶解液，30min内桥塞3质量损失在50％以上。在一实施例中，使用0.1-0.3mol/L醋酸-醋酸钠作为桥塞溶解液，30min内桥塞3质量损失在55％以上。在一实施例中，使用0.1-0.3mol/L柠檬酸-柠檬酸钠作为桥塞溶解液，30min内桥塞3质量损失在50％以上。
根据现场试验将本实施方式的下油管方法与常规下油管方法对比表明，每口井费用节约了25-50％，周期缩短了33％，同时降低了储层伤害，有利于提高采收率，在工作量预计400口井时，每口井节约费用15万元，预期节约6千万元。
同时，本实施方式提供的这种可控溶解桥塞3实现了具备高强度、可溶解两种特性，同时还具有生产成本低、制作工艺简单、易于规模化应用等特点，在油田开发领域具有广阔的应用前景，解决了常规可溶桥塞3遇水溶解、可控性差等问题。
还有，该可控溶解桥塞3应用于下油管2过程中，不带压下入所选规格的生产油管2至可控溶解桥塞3位置点，最后向生产油管2内注入桥塞溶解液使可控溶解桥塞3溶解实现解封，实现了压裂后不压井条件下且不带压下入生产油管2的目的，大大降低了压裂后井筒1作业施工费用、周期、风险。而且避免了常规下入油管2的先用压井液压井、试压，然后在不带压条件下，下入所需规格的生产油管2，所带来的压井液对储层滞留伤害大、作业周期长的问题。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。