油氣井分段壓裂用可降解壓裂球研制與應(yīng)用

劉志斌，程智遠(yuǎn)，李　梅，李宗瑋，秦詩濤，張欣欣

(1.渤海鉆探 工程技術(shù)研究院，天津300280；2.渤海鉆探 定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津300280；3.渤海鉆探 第一錄井分公司，天津300280)①

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油氣井分段壓裂用可降解壓裂球研制與應(yīng)用

劉志斌1，程智遠(yuǎn)1，李梅1，李宗瑋2，秦詩濤1，張欣欣3

(1.渤海鉆探 工程技術(shù)研究院，天津300280；2.渤海鉆探 定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津300280；3.渤海鉆探 第一錄井分公司，天津300280)①

為了解決低密度球壓裂后返排不出來堵塞油氣生產(chǎn)通道的問題，選擇金屬M(fèi)g作為核心材料，采用熔煉成型法制備了一種新的壓后可在井下自動溶解的可降解壓裂球。研究了不同固溶溫度和固溶時間對壓裂球抗壓強(qiáng)度的影響；測試了壓裂球在不同溫度和不同Cl-濃度溶液中的降解速度；通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對可降解壓裂球的整體性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，研制的可降解壓裂球密度為1.88 g/cm3，耐壓能力>70 MPa，溫度越高，Cl-濃度越大，降解速度越快，整體力學(xué)性能良好，完全滿足蘇里格地區(qū)現(xiàn)場施工要求。

油氣井；分段壓裂；壓裂球；可降解；金屬M(fèi)g

隨著石油工程技術(shù)及新材料應(yīng)用的發(fā)展，油氣井分段壓裂用的壓裂球由鋼球轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔芏惹?，使壓裂球便于泵送到滑套球座上，同時也有利于壓后排液生產(chǎn)時將壓裂球返排出井筒，減小生產(chǎn)時對井筒油氣的流動阻力[1-4]。但是，低密度球在相對低產(chǎn)井也存在返排不出來的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年來在蘇里格區(qū)塊油氣井分段壓裂后低密度球返排不出來的情況，水平井約占35%，直井約占90%，對油氣井的生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。主要有2種情況影響低密度球的返出：①地層壓力低，液體返排速度慢，低密度球壓后由于塑性變形繼續(xù)密封在球座上，堵塞生產(chǎn)通道，導(dǎo)致油氣井失去產(chǎn)能；②地層產(chǎn)能低，地層流體/氣體無法推動低密度球向上運(yùn)動至井口，低密度球堆積在地勢較低的位置，并且可能和地層返出砂或者其他地層巖屑堆積在一起，使生產(chǎn)通道減小，導(dǎo)致油氣井產(chǎn)能下降。

為了解決油氣井壓裂后未返排低密度球的問題，開展了在壓裂時可以承高壓，壓裂結(jié)束后在井下可自動降解的壓裂球研究。這種壓裂球主要由可控電解金屬材料組成，密度小于鋁，強(qiáng)度高于中等鋼，在普通的鹽水中就可以降解，其降解速度由溫度和鹽水濃度決定，并且在酸性液體降解速度加快。

針對壓裂球的工藝要求，壓裂球首先通過泵送經(jīng)過數(shù)千米的油管到達(dá)滑套的球座上，井筒加壓打開滑套，連通井筒與地層進(jìn)行壓裂；在壓裂過程中壓裂球還起到封堵下一層的作用，壓后通過返排將壓裂球攜帶出來。因此，可降解壓裂球必須具備如下條件：①密度≤2.5 g/cm3，有利于壓裂球順利坐封到球座上和壓后返排出井口；②耐壓70 MPa，保證壓裂球在壓裂過程中不碎裂，順利完成壓裂；③承壓時間大于2 h，壓裂球要在壓裂過程中完成壓裂后再降解，統(tǒng)計(jì)壓裂球泵送到球座上并完成壓裂的時間一般需要2 h；④降解時間小于20 d，當(dāng)壓裂球返排不出來時，可在井下自動溶解掉；⑤耐溫120 ℃，考慮常規(guī)井地層溫度一般小于120℃。

通過分析材料的密度及電化學(xué)性能可知，金屬M(fèi)g密度低，具有非常低的電極電位，可在含Cl-離子溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：Mg+2Cl-→MgCl2+2e。由于壓裂液及地層液體中含有Cl-離子，因此，選擇低密度的金屬M(fèi)g作為可降解壓裂球的核心材料，實(shí)現(xiàn)可降解壓裂球的密度≤2.5 g/cm3，保證可降解壓裂球可順利達(dá)到球座上，并且在壓裂液及地層液體中可降解。

1　壓裂球制備

1.1材料

1987年英國Magnesium Elektron Limited公司研發(fā)出Mg-Zn-Cu合金，是迄今商業(yè)化應(yīng)用較成功的Mg-Zn系耐熱合金，在150 ℃以下的高溫性能比傳統(tǒng)的Mg-Al-Zn合金更優(yōu)良。Zn具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，從而可提高合金強(qiáng)度和高溫蠕變抗力；Cu可以顯著提高合金的硬度；Zr可以導(dǎo)致晶粒細(xì)化，提高合金強(qiáng)韌性；稀土元素Ce可以凈化合金組織。因此，可降解壓裂球核心熔煉材料選用Mg-Zn-Cu系合金，該系列合金具有良好的室溫力學(xué)性能、耐高溫性能、低成本、易鑄造成型等優(yōu)點(diǎn)；此外再加入一定量的Zr和Ce。

1.2制備方法

采用熔煉成型法制備可降解壓裂球。熔煉時，先把鑄鐵坩堝和表面處理干凈的合金原料在300 ℃預(yù)熱2 h，然后將純Mg、純Zn放入坩堝內(nèi)，將溫度升高到720 ℃，待Mg完全熔化后關(guān)閉電源，待溫度降到680 ℃時將Mg-30% Cu、Mg-20% Ce、Mg-30% Zr中間合金加到熔體中，然后再升溫到720 ℃，待合金完全熔化，撈渣，然后攪拌10 min。攪拌過程中盡量不破壞鎂液表面，最后靜置30 min，澆鑄到鑄鐵模具中冷卻成錠。在整個熔煉過程中采用N2和SF6混合氣體保護(hù)。

制備設(shè)備主要為坩鍋電阻爐、熱處理爐、澆注專用模具、保護(hù)氣體流量控制柜、試壓泵、量具等。

1.3性能測試

1)承壓試驗(yàn)。將制備好的不同直徑可降解壓裂球放入匹配的球座中，安裝在投球滑套內(nèi)，連接試壓泵進(jìn)行加壓，保持一定時間的壓力；承壓結(jié)束后進(jìn)行反加壓。記錄可降解壓裂球承受不同壓力時的壓力變化及返排壓力。

2)降解試驗(yàn)。將制備好的可降解壓裂球放入配制好的氯化鉀溶液中，根據(jù)壓裂液中KCl的含量，將溶液的KCl含量設(shè)定為1%、3%，測試溫度設(shè)定為50、70、90 ℃。每隔一段時間對可降解壓裂球進(jìn)行烘干、稱重，記錄樣品的質(zhì)量及外徑。

2　結(jié)果與討論

2.1力學(xué)性能

固溶溫度對可降解壓裂球抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。隨著固溶溫度的提高，合金中晶界處的共晶相溶入到晶粒中，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時，共晶相溶解的比較完全，能夠固溶的第二相均已固溶于基體中，繼續(xù)升溫會使晶粒尺寸明顯長大，強(qiáng)韌性下降明顯，甚至出現(xiàn)了過燒情況，導(dǎo)致合金性能進(jìn)一步下降。

圖1　固溶溫度對可降解壓裂球抗壓強(qiáng)度的影響

固溶時間對可降解壓裂球抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。隨著固溶時間的延長，可降解壓裂球的抗壓強(qiáng)度先減小又增加再減小，這是因?yàn)楸貢r間較短時，固溶強(qiáng)化不明顯，晶界處第二相軟化，只有部分溶于基體，固溶效果不明顯；繼續(xù)延長保溫時間，第二相逐漸固溶到基體中，抗壓強(qiáng)度逐漸上升；當(dāng)固溶時間為12 h時，第二相固溶處理比較完全，抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，強(qiáng)化效果明顯，時間繼續(xù)延長，晶粒尺寸長大，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

圖2　固溶時間對可降解壓裂球抗壓強(qiáng)度的影響

2.2承壓能力

可降解壓裂球的承壓和返排情況如表1。從表1可知，可降解壓裂球可承受70 MPa的壓力；承壓時，球在球座上的密封性良好，壓降小；當(dāng)承受壓力為50 MPa時，可降解壓裂球壓后的返排壓力≤2 MPa，均容易返排。

表1　可降解壓裂球承壓和返排情況

表1(續(xù))

2.3降解速度

可降解壓裂球的質(zhì)量在不同溫度、不同KCl溶液中隨時間變化如圖3所示?？山到鈮毫亚蛟诓煌瑴囟?、不同濃度溶液中降解，前6 h或8 h(大于設(shè)計(jì)的承壓時間2 h)的降解速度較慢，可降解壓裂球的質(zhì)量變化小，外徑幾乎無變化，承壓能力不受影響；當(dāng)降解時間超過6 h或8 h后，可降解壓裂球以一定速度勻速降解，縮短了整體降解時間。這是由于可降解壓裂球在出膜后，采用二次機(jī)加工來提高球的精度，在機(jī)加工時球的表面形成了一層很薄的表面膜，降解初期，可降解壓裂球的表面膜與溶液接觸，表面膜的降解速度比較慢，導(dǎo)致質(zhì)量變化??；當(dāng)降解一定時間后，表面膜完全降解，可降解壓裂球本體與溶液接觸，本體材料的降解速度比表面膜的快，從而使降解速度增加，質(zhì)量變化增大。

圖3　可降解壓裂球的質(zhì)量在不同溫度及不同濃度的KCl溶液中隨時間的變化曲線

由于可降解壓裂球初期的降解速度比較慢，在不考慮第1個點(diǎn)時，采用origin軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到可降解壓裂球在不同溫度、不同KCl溶液濃度中的降解速度如表2所示。從表2可知，可降解壓裂球的完全降解時間小于20 d。在KCl溶液濃度不變時，隨著溫度的增加，降解速度加快，降解時間縮短；當(dāng)溶液溫度不變時，隨著KCl濃度的增加，降解速度加快，降解時間縮短。

表2　可降解壓裂球的降解速度

直徑67 mm的壓裂球在70℃溫度及1% KCl溶液中的質(zhì)量變化如表3。從表3可知，壓裂球在前8 h的質(zhì)量變化為4.26 g，降解速度較慢；8 h后按1.88 g/h的速度勻速降解，整個壓裂球完全降解的時間為240 h，即10 d，與模擬得到的完全降解天數(shù)一致。

表3　直徑67 mm的壓裂球在70 ℃溫度及1% KCl溶液中的質(zhì)量變化

直徑67 mm的壓裂球在70 ℃溫度及1% KCl溶液中在降解不同時間后的形貌如圖4所示?？山到鈮毫亚蚪?jīng)過不同時間降解后能保持較好的球形，這有助于球的運(yùn)動，在現(xiàn)場應(yīng)用中，使球更容易返排至井口。

圖4　直徑67 mm的壓裂球在70℃溫度及1% KCl溶液中在降解不同時間后的形貌

2.4現(xiàn)場應(yīng)用

從2014年至今，可降解壓裂球在蘇里格區(qū)塊成功應(yīng)用幾十口井，施工成功率100%。在施工過程中，可降解壓裂球均順利到位，從入井到壓裂完成所需時間最長165 min，在可降解壓裂球設(shè)計(jì)的初始降解時間6～8 h之內(nèi)；最大施工壓力為61 MPa，在可降解壓裂球設(shè)計(jì)的承壓能力70 MPa之內(nèi)；最大加砂量為55 m3，大于水平井單段平均加砂量。表明可降解壓裂球的力學(xué)性能良好。以蘇20-X-X井為例，蘇20-X-X井井深3 692 m，分3段壓裂，共使用2個可降解壓裂球，滑套打開壓力分別為14 MPa和15 MPa，壓裂過程中可降解壓裂球承壓良好，壓裂曲線無波動；施工結(jié)束后，排液、測試、求產(chǎn)完成后回收捕球器，發(fā)現(xiàn)捕球器內(nèi)無壓裂球；壓裂完成10 d后，從油管內(nèi)下入小油管，管柱順利通過2個滑套，說明可降解壓裂球在井下已經(jīng)完全降解。如圖5所示。

圖5　蘇20-X-X井壓裂施工曲線

3　結(jié)論

1)選用密度低的金屬M(fèi)g作為可降解壓裂球的核心材料，加入Zn、Cu、Ce、Zr元素，采用熔煉成型法制備的可降解壓裂球，密度為1.88 g/cm3，壓裂時有利于泵送。

2)固溶溫度為400 ℃，固溶時間為12 h時，可降解壓裂球的強(qiáng)度最高，可以達(dá)到70 MPa以上。

3)溫度越高，Cl-濃度越大，可降解壓裂球的降解速度越快。根據(jù)蘇里格區(qū)塊的地層溫度和壓裂液濃度，可降解壓裂球壓后的完全降解時間為10 d。

4)現(xiàn)場應(yīng)用證明，可降解壓裂球的性能完全滿足蘇里格地區(qū)現(xiàn)場施工要求，為油氣井分段壓裂后低密度球不返排、堵塞生產(chǎn)通道提供了解決辦法。

5)根據(jù)不同地層溫度和Cl-濃度，可以改變可降解壓裂球配方來調(diào)整降解速度，以滿足不同現(xiàn)場施工要求。

[1]韓永亮，劉志斌，程智遠(yuǎn)，等.水平井分段壓裂滑套的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2011，39(2)：64-65.

[2]徐玉龍，程智遠(yuǎn)，劉志斌，等.水平井分段分段壓裂投球滑套承壓接觸分析[J].石油機(jī)械，2012，40(8)：93-96.

[3]程智遠(yuǎn)，劉志斌，張鵬，等.水平井裸眼分段壓裂工具[J].石油科技論壇，2013，32(4)：60-62.

[4]張磊，彭志剛，余金陵，等.非常規(guī)油氣壓裂球的研制及分析[J].石油與天然氣化工，2013，42(2)：165-167.

Research and Application of Disintegrating Fracture Ball used to Separated Fracturing in Oil and Gas Wells

LIU Zhibin1，CHENG Zhiyuan1，LI Mei1，LI Zhongwei2，QIN Shitao1，ZHANG Xinxin3

(1.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China；2.DirectionalDrillingServiceCompany，BHDC，Tianjin300280，China；3.No.1MudLoggingCompany，BHDC，Tianjin300280，China)

In order to solve the problem of low density ball which can’t run to wellhead after fracturing block the oil and gas production channel，the disintegrating fracture ball choosing metal Mg as core material can be prepared by melting and forming method，which can dissolve automatically in the well.The influence of solid solution temperature and time on the compressive strength of the fracture ball was studied.The degradation rate of fracture ball in different Cl-concentration solution at different temperatures was tested.Through the field test，the whole performance of the disintegrating fracture ball is verified.It was shown that the density of developed disintegrating fracture ball is 1.88 g/cm3，the compressive strength is bigger than 70 MPa，and the higher the temperature，the greater the concentration of Cl-，the faster the degradation rate.The ball which overall mechanical performance is good fully meets the requirements of the construction site in Sulige area.

oil and gas wells；separated fracturing；fracture ball；disintegrating；metal Mg

1001-3482(2016)10-0054-05

2016-04-15

渤海鉆探工程公司重大專項(xiàng)“可降解壓裂球的研制與應(yīng)用”(2013ZD12K)

劉志斌 (1983-)，男，主要從事油氣井鉆采工具的研發(fā)，E-mail：zhibin1015@163.com。

TE934.2

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.012